JP4250481B2 - Porous structure - Google Patents

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Description

本発明は、孔に機能性材料を担持した多孔質構造体に関する。多孔質構造体は、細孔に生体高分子を担持したシリコン−生体高分子複合体であり、それをモジュールとしてバイオセンサ装置及びバイオリアクタ装置に応用される。   The present invention relates to a porous structure in which a functional material is supported in pores. The porous structure is a silicon-biopolymer composite in which a biopolymer is supported in pores, and is applied to a biosensor device and a bioreactor device as a module.

近年、核酸やタンパク質等の生体高分子の選択性を産業的に利用した装置の開発が盛んになってきている。そのなかでも、デオキシリボ核酸(以下DNAと記す)やリボ核酸(以下RNAと記す)の配列依存性相補的水素結合を利用したDNAセンサチップ、血液中に溶出する疾病マーカのレセプタや抗体分子を用いたタンパク質センサ、糖尿病患者のためのグルコースセンサに代表される、酸化還元酵素や加水分解酵素を用いた酵素センサ等のバイオセンサの研究開発が進められている。   In recent years, development of apparatuses that industrially utilize the selectivity of biopolymers such as nucleic acids and proteins has become active. Among them, DNA sensor chips that use sequence-dependent complementary hydrogen bonding of deoxyribonucleic acid (hereinafter referred to as DNA) and ribonucleic acid (hereinafter referred to as RNA), receptors for disease markers that elute in blood, and antibody molecules are used. Research and development of biosensors such as enzyme sensors using oxidoreductases and hydrolases, such as protein sensors and glucose sensors for diabetic patients, have been promoted.

さらに、酵素の選択的物質変換能を利用したバイオリアクタ分野でも、これまでのアミノ酸や異性化糖の合成、医薬本中間体の合成に加えて、アクリルアミド合成のようなコモディティケミカル(化成品原料)合成の分野、環境汚染物質の分解・無害化処理の領域でもその応用に向けた研究開発が行われている。   Furthermore, in the bioreactor field using the selective substance conversion ability of enzymes, in addition to the synthesis of conventional amino acids and isomerized sugars, the synthesis of pharmaceutical intermediates, commodity chemicals such as acrylamide synthesis (chemical raw materials) Research and development for its application is also underway in the field of synthesis and in the field of decomposition and detoxification of environmental pollutants.

生体高分子を応用した製品領域に共通した大きな問題点の一つとして、装置に担持した生体高分子の安定性が挙げられる。特にタンパク質に関しては、外部環境に対して非常に不安定であり、その安定化技術が様々に試みられている。   One of the major problems common to the product areas to which biopolymers are applied is the stability of the biopolymer supported on the device. In particular, proteins are very unstable with respect to the external environment, and various stabilization techniques have been tried.

酵素等のタンパク質の安定性を向上させる方法として、タンパク質を支持固体に固定化する方法やタンパク質表面をポリエチレングリコールや糖脂質等で修飾する方法が知られている。   As a method for improving the stability of a protein such as an enzyme, a method for immobilizing the protein on a supporting solid and a method for modifying the protein surface with polyethylene glycol or glycolipid are known.

従来の固定化方法としては、基板をタンパク質溶液に浸漬、または基板上へタンパク質溶液を塗布した後に乾燥させることで固定化する物理的吸着法、金基板の場合に使うアルカンチオールを用いる方法、基板または担体表面をシランカップリング剤処理した後にグルタルアルデヒド等架橋剤を用いて化学的結合による固定化する方法がある。しかし、このような架橋反応による化学的結合は結合部位に関しての選択性が低く、無作為に起こる為に酵素等のタンパク質の活性部位もしくはその活性に間接的に関わる部位が担体との結合部位となる場合がある。そのような場合、その活性に大きく影響したり、無作為な化学結合によりタンパク質の高次構造が崩れたり、反応に必要な構造変化を妨げることも懸念される。   As a conventional immobilization method, a physical adsorption method in which a substrate is immersed in a protein solution or dried by applying a protein solution onto a substrate and then drying, a method using an alkanethiol used in the case of a gold substrate, a substrate Alternatively, there is a method of immobilizing by chemical bonding using a crosslinking agent such as glutaraldehyde after treating the carrier surface with a silane coupling agent. However, such chemical bonding by cross-linking reaction has low selectivity with respect to the binding site, and since it occurs randomly, the active site of a protein such as an enzyme or a site indirectly related to the activity is considered to be a binding site with a carrier. There is a case. In such a case, there is a concern that the activity may be greatly affected, the protein's higher order structure may be disrupted by random chemical bonding, or the structural change necessary for the reaction may be hindered.

上記のような固定化技術に対して、例えばアクリルアミドやポリビニルアルコールなどの有機高分子樹脂溶液や有機修飾基を有するシラン等のゾルないしはコロイド懸濁液がゲル化反応する際に酵素を樹脂中に包括することにより固定化する方法がある。   For the immobilization technique as described above, for example, an organic polymer resin solution such as acrylamide or polyvinyl alcohol, or a sol or colloidal suspension of an organic modifying group such as silane or the like is subjected to a gelation reaction in the enzyme. There is a method of immobilization by inclusion.

一般的に酵素をポリ(ヒドロキシエチルメタクリレート)のような網状組織を有するポリマーの「ゲル」に包括する技術が知られている。   In general, a technique is known in which an enzyme is included in a polymer “gel” having a network such as poly (hydroxyethyl methacrylate).

これは、酵素の固定化は酵素の全周に配置されたゲルポリマーによる物理的に包含することにより行われ、このことが酵素の高次構造を安定させ、長期安定性が期待される。しかしながら、一方では、ゲルによる酵素の包括は、常にあらゆる角度から酵素とゲル物質との相互作用やゲル化剤による架橋形成により、酵素活性に必要な酵素の高次構造の柔軟性を損なわせ、酵素反応活性に低下させることが懸念される。   This is done by physically immobilizing the enzyme by means of a gel polymer disposed all around the enzyme, which stabilizes the higher-order structure of the enzyme and is expected to have long-term stability. However, on the other hand, the inclusion of the enzyme by the gel always impairs the flexibility of the higher-order structure of the enzyme necessary for the enzyme activity by the interaction between the enzyme and the gel substance from all angles and the cross-linking formation by the gelling agent. There is concern about the reduction in enzyme reaction activity.

また、バイオセンサやバイオリアクタ装置への応用を考えた場合、バイオセンサ装置の認識素子またはバイオリアクタ装置の反応触媒となる酵素等のタンパク質がゲル中に包括された状態で検知すべきまたは反応すべき目的の分子とを十分に接触させることができるか等の高感度を実現する為に幾つかの問題がある。   Also, when considering application to biosensors or bioreactor devices, proteins such as enzymes that serve as biosensor device recognition elements or bioreactor device reaction catalysts should be detected or reacted in a state of being included in the gel. There are several problems to achieve high sensitivity, such as whether sufficient contact with the target molecule is possible.

下記特許文献1においては、構造安定性を有する構造ユニットに酵素を固定する技術が開示されている。構造ユニットとしては、メソポーラスシリカや多孔性ポリマー等が開示されている。これによれば、構造ユニットが安定であるので外部環境の変化によっても固定された酵素の立体構造が変化することを抑制されるとの効果が記載されている。このような構造ユニットによる酵素固定化としては、ペルオキシダーゼ、スルフィナーゼ、モノオキシゲナーゼ、ジオキシゲナーゼ、イソメラーゼから選ばれる少なくとも1種の酵素に前記方法に適用した燃料改質用安定化酵素が知られている。また、ペルオキシダーゼを適用したリグニンの酵素的分解方法や、光学異性体に対して基質特異性を示すリパーゼに適用した固定化リパーゼ、及びリパーゼの基質特異性向上方法が知られている。また、下記特許文献2には、前記メソポーラスシリカの開口部及び/又は内部空隙にはゲル化物質の網状構造が形成されていることを特徴とする酵素の固定化方法及び固定化酵素が開示されている。   In the following Patent Document 1, a technique for immobilizing an enzyme on a structural unit having structural stability is disclosed. As the structural unit, mesoporous silica, porous polymer and the like are disclosed. According to this, since the structural unit is stable, it is described that the change in the three-dimensional structure of the immobilized enzyme is suppressed even when the external environment changes. As the enzyme immobilization by such a structural unit, a fuel reforming stabilizing enzyme applied to the above method for at least one enzyme selected from peroxidase, sulfinase, monooxygenase, dioxygenase, and isomerase is known. In addition, an enzymatic degradation method of lignin using peroxidase, an immobilized lipase applied to a lipase exhibiting substrate specificity for optical isomers, and a method for improving the substrate specificity of lipase are known. Patent Document 2 below discloses an enzyme immobilization method and an immobilized enzyme characterized in that a network structure of a gelling substance is formed in the opening and / or internal voids of the mesoporous silica. ing.

また、下記非特許文献1には、径が320〜340nmの細孔を有するシリカ或いはアルミノシリケートのメソポーラスモレキュラーシーブス中に、直径300nmのウマ心臓チトクロームcを固定化し、酸化還元反応を評価した結果が報告されている。また、トリプシンをメソポーラスシリカ中に担持したという報告や、αキモトリプシンをナノポーラスゾルゲルガラスの細孔中にトリメトキシシリルプロパナールをリガンドとして担持し熱安定性やメタノール中での活性が向上したという報告がある。   Non-Patent Document 1 below shows the results of immobilizing horse heart cytochrome c having a diameter of 300 nm in silica or aluminosilicate mesoporous molecular sieves having pores having a diameter of 320 to 340 nm and evaluating the oxidation-reduction reaction. It has been reported. In addition, there are reports that trypsin was supported in mesoporous silica, and that α-chymotrypsin was supported in the pores of nanoporous sol-gel glass with trimethoxysilylpropanal as a ligand to improve thermal stability and activity in methanol. is there.

しかし、上記メソポーラスシリカや高分子ゲルを用いた何れの固定化酵素において、構造ユニットが有する細孔は無秩序にランダム形成されており、細孔にタンパク質等の生体高分子を定量的に固定化することは難しい。その為、昨今のセンサ装置の要求品質である“高感度且つ小型化“を実現するには問題が多い。また、リアクタ装置としても、酵素固定化部材の内側の構造ユニットまで反応液が浸透しにくいため、反応率を上げるために酵素固定化部材の面積拡大や反応時間の延長を必要となる。
特開2000−139459号公報 特開2001−178457号公報 JOURNAL of Molecular Catalysis. B,Enzymatic,Vol.2(2-3),1996
However, in any of the immobilized enzymes using mesoporous silica or polymer gel, the pores of the structural unit are randomly formed randomly, and biological macromolecules such as proteins are quantitatively immobilized in the pores. It ’s difficult. For this reason, there are many problems in realizing “high sensitivity and downsizing” which is the required quality of recent sensor devices. In addition, since the reaction liquid hardly penetrates into the structural unit inside the enzyme-immobilized member as the reactor device, it is necessary to increase the area of the enzyme-immobilized member and extend the reaction time in order to increase the reaction rate.
JP 2000-139459 A JP 2001-178457 A JOURNAL of Molecular Catalysis. B, Enzymatic, Vol. 2 (2-3), 1996

上記のように多数の報告からもわかるように、シリカに代表される従来公知の無機多孔質材料へタンパク質を担持させる方法はタンパク質の外的環境に対する安定化という点で非常に優れている。   As can be seen from a number of reports as described above, the method of supporting a protein on a conventionally known inorganic porous material typified by silica is very excellent in terms of stabilizing the protein against the external environment.

一方、生体高分子を担持したバイオセンサ分野やバイオリアクタ分野においては、今後の世の中のニーズを考えると装置の小型化やハイスループットな処理は不可欠となる。それに対応した微小領域での検知感度や反応時間短縮、反応効率の更なる向上が求められており、これらの技術要素を達成するための多くの開発要素が残されている。このような“小型化・高感度”に対して、上記で開示されている技術は、多孔質材料の細孔の方向が必ずしも一定ではなく、感度や反応時間、効率の更なる向上を達成するためには必ずしも好ましい形態とはいえず課題が残る。   On the other hand, in the biosensor field and bioreactor field supporting biopolymers, downsizing of the apparatus and high-throughput processing are indispensable in consideration of future needs. Correspondingly, there is a demand for further improvement in detection sensitivity, reaction time, and reaction efficiency in a microscopic region, and many development elements for achieving these technical elements remain. In contrast to such “miniaturization / high sensitivity”, the technology disclosed above achieves further improvements in sensitivity, reaction time, and efficiency because the direction of the pores of the porous material is not necessarily constant. Therefore, it is not necessarily a preferable form and a problem remains.

このようなことから、バイオセンサ、バイオリアクタ装置において“小型化・高感度”を達成する為には、上記の課題を克服する必要があった。   Therefore, in order to achieve “miniaturization / high sensitivity” in the biosensor and the bioreactor device, it is necessary to overcome the above-described problems.

このような技術的背景により、本発明者らは種々検討を重ねた結果、構造体の一平面上に少なくとも1以上の柱状形状の細孔を有し、且つ前記細孔を取り囲むようにシリコンを主金属元素とするシリコン領域を有するシリコン構造体で、前記細孔が前記平面に対して垂直またはほぼ垂直である構造体の細孔中に生体高分子を形成する方法を見出し、本発明に至った。   Due to such technical background, the present inventors have made various studies, and as a result, have at least one or more columnar pores on one plane of the structure, and silicon is surrounded by the pores. A silicon structure having a silicon region as a main metal element, a method for forming a biopolymer in the pores of the structure in which the pores are perpendicular or nearly perpendicular to the plane, has been found, leading to the present invention. It was.

即ち、本発明は、無機材料と生体材料を複合した各種デバイスへの応用範囲をより拡大し得る、新規な構成を有する孔に機能性材料を担持した多孔質構造体を提供することである。   That is, this invention is providing the porous structure which carry | supported the functional material in the hole which has a novel structure which can expand the application range to the various devices which combined the inorganic material and the biomaterial.

また、本発明は、上記多孔質構造体をモジュールとして含んだ新規なバイオセンサ装置、及びバイオリアクタ装置を提供することである。   Moreover, this invention is providing the novel biosensor apparatus and bioreactor apparatus which contain the said porous structure as a module.

上述の課題を解決するため、本発明は、孔に機能性材料を担持した多孔質構造体であって、前記構造体は共晶を形成する成分としてのシリコン及びアルミニウムを含有し、複数の柱状の孔を有していて且つ前記孔の壁面に機能性材料として生体高分子が担持されていることを特徴とする。 In order to solve the above problem, the present invention provides a porous structure supporting the functional material in the hole, before Ki構 Zotai contains silicon and aluminum as a component for forming a eutectic, multiple And a biopolymer is supported on the wall surface of the hole as a functional material.

特に、前記孔の平均直径が10nm以下であることを特徴とする。   In particular, the average diameter of the holes is 10 nm or less.

また、前記生体高分子が、たんぱく質、核酸又はたんぱく質と核酸の何れかであることを特徴とする。   The biopolymer may be a protein, a nucleic acid, or a protein and a nucleic acid.

また、前記核酸がデオキシリボ核酸、リボ核酸の何れかであることを特徴とする。   The nucleic acid is any one of deoxyribonucleic acid and ribonucleic acid.

また、前記多孔質構造体が酸化物を含有することを特徴とする。   Further, the porous structure contains an oxide.

また、前記多孔質構造体が、酸素を除く元素の総量に対してシリコンを80atomic%以上含有することを特徴とする。   Further, the porous structure contains 80 atomic% or more of silicon with respect to the total amount of elements excluding oxygen.

さらに、本発明は、前記多孔質構造体を備えたバイオセンサ装置である。   Furthermore, the present invention is a biosensor device provided with the porous structure.

また、本発明は、前記多孔質構造体を備えたバイオリアクタ装置である。   Moreover, this invention is a bioreactor apparatus provided with the said porous structure.

本発明によれば、孔に機能性材料を担持した多孔質構造体であって、前記構造体は共晶を形成する成分としてのシリコン及びアルミニウムを含有し、複数の柱状の孔を有していて且つ前記孔の壁面に機能性材料として生体高分子が担持されていることにより、バイオセンサ装置又はバイオリアクタ装置として応用した場合、小型化・高感度を達成することができる。 According to the present invention, there is provided a porous structure in which a functional material is supported in pores, wherein the structure contains silicon and aluminum as components for forming a eutectic and has a plurality of columnar pores. In addition, since a biopolymer is supported on the wall surface of the hole as a functional material, when applied as a biosensor device or a bioreactor device, downsizing and high sensitivity can be achieved.

まず、本発明の実施の形態について概要を説明する。   First, an outline of an embodiment of the present invention will be described.

本発明の孔に機能性材料を担持した多孔質構造体は、ナノ構造体であり、構造体の一平面上に少なくとも1以上の細孔を有し、柱状形状の細孔とそれを取り囲むシリコンを主金属元素とするシリコン領域を有するシリコン構造体の細孔中に生体高分子が担持されているシリコン−生体高分子複合体であって、前記細孔が前記平面に対して垂直またはほぼ垂直方向に柱状形状に形成され、且つ前記細孔の壁面もしくは底面の何れかに生体高分子が担持されている。   The porous structure in which the functional material is supported in the pores of the present invention is a nanostructure, has at least one or more pores on one plane of the structure, and has columnar pores and silicon surrounding the pores. A silicon-biopolymer composite in which a biopolymer is supported in pores of a silicon structure having a silicon region in which the main metal element is silicon, wherein the pores are perpendicular or nearly perpendicular to the plane It is formed in a columnar shape in the direction, and a biopolymer is supported on either the wall surface or the bottom surface of the pore.

このような構造体は、細孔の柱状形状の方向が前記構造体の一平面に対して垂直もしくはほぼ垂直、つまり一方向性多孔体であるので、無秩序な多方向性多孔体と比べ酵素等のタンパク質の固定化が定量的に行うことが出来る。また、構造体の外部環境、例えば酵素固定化用の反応液及び測定用溶液と接触する細孔内面の表面積が増加することが期待できる。このような構造体材料を実際にバイオリアクタやバイオセンサとして用いる場合に、感度や反応時間、効率の更なる向上が期待できる。   In such a structure, the direction of the columnar shape of the pores is perpendicular or almost perpendicular to one plane of the structure, that is, a unidirectional porous body. The protein can be immobilized quantitatively. In addition, it can be expected that the surface area of the inner surface of the pores in contact with the external environment of the structure, for example, the enzyme immobilization reaction solution and the measurement solution is increased. When such a structural material is actually used as a bioreactor or biosensor, further improvement in sensitivity, reaction time, and efficiency can be expected.

また、本発明は前記細孔の平均孔径が10nm以下であり、且つ前記細孔同士の平均間隔が15nm以下であることを特徴とするシリコン−生体高分子複合体であることが好ましい。このように前記細孔の平均孔径を10nm以下とすることで、径が10nm以下の酵素等のタンパク質及びDNA等の核酸分子を孔内に保持することができる。特に、径が10nm以下の酵素においては三次元構造が安定するとともに、少なくとも本発明の細孔は少なくとも一方向が構造体の外側に開放されているので活性時の構造変化に対しても与える制限が少なく、活性などへの影響が少ないことが期待される。   In addition, the present invention is preferably a silicon-biopolymer composite characterized in that the average pore diameter of the pores is 10 nm or less and the average interval between the pores is 15 nm or less. Thus, by setting the average pore diameter of the pores to 10 nm or less, proteins such as enzymes having a diameter of 10 nm or less and nucleic acid molecules such as DNA can be retained in the pores. In particular, in an enzyme having a diameter of 10 nm or less, the three-dimensional structure is stable, and at least the pores of the present invention are open to at least one direction outside the structure. Is expected to have little impact on activity.

また、前記構造体が膜状であることが好ましい。膜状であることによって、任意の面積を持つ電極上に転写することも可能である。   Moreover, it is preferable that the said structure is a film | membrane form. By being in the form of a film, it is also possible to transfer onto an electrode having an arbitrary area.

また、前記膜状構造体が基板上に形成されていることが好ましい。基板上に前記構造体を設けることにより構造体が安定化することができる。また、被成膜基板を電極として用いることも可能である。   The film-like structure is preferably formed on a substrate. By providing the structure on the substrate, the structure can be stabilized. It is also possible to use a deposition substrate as an electrode.

また、前記生体高分子が前記核酸分子または前記タンパク質分子から少なくとも一種類以上選択されることが望ましい。   In addition, it is desirable that at least one kind of the biopolymer is selected from the nucleic acid molecule or the protein molecule.

また、前記シリコン構造体は酸化されていてもよい。構造体全体を酸化物とすることによりシリコン酸化物半導体として機能を利用したモジュール制御をすることができる。   The silicon structure may be oxidized. By using the entire structure as an oxide, module control utilizing the function as a silicon oxide semiconductor can be performed.

また、前記シリコン領域が酸素を除くすべての元素の総量に対してシリコンを80atomic%以上含有することが好ましく、より好ましくは90atomic%以上である。このような構造体では、細孔周辺の構造が安定し、シリコンもしくはシリコン酸化物としての物性を示し制御し易い。   Further, the silicon region preferably contains 80 atomic% or more of silicon, more preferably 90 atomic% or more with respect to the total amount of all elements except oxygen. In such a structure, the structure around the pores is stable and exhibits physical properties as silicon or silicon oxide and is easy to control.

本発明のバイオセンサ装置は、構造体の一平面上に少なくとも1以上の細孔を有し、且つ前記細孔を取り囲むようにシリコンを主金属元素とするシリコン領域を有するシリコン構造体において、前記細孔が前記平面に対して垂直またはほぼ垂直方向に柱状形状に形成され、且つ前記細孔の壁面に生体高分子が担持されているシリコン−生体高分子複合体をモジュールとして含んでいる。   The biosensor device of the present invention includes a silicon structure having at least one or more pores on one plane of the structure, and a silicon region having silicon as a main metal element so as to surround the pores. The module includes a silicon-biopolymer complex in which pores are formed in a columnar shape in a direction perpendicular or substantially perpendicular to the plane, and a biopolymer is supported on the wall surface of the pores.

また、上記シリコン構造体が酸化されていたシリコン酸化物−生体高分子複合体をモジュールとして含んでいる。   Moreover, the silicon oxide-biopolymer complex in which the silicon structure is oxidized is included as a module.

本発明のバイオリアクタ装置は、構造体の一平面上に少なくとも1以上の細孔を有し、且つ前記細孔を取り囲むようにシリコンを主金属元素とするシリコン領域を有するシリコン構造体において、前記細孔が前記平面に対して垂直またはほぼ垂直方向に柱状形状に形成され、且つ前記細孔の壁面に生体高分子が担持されているシリコン−生体高分子複合体をモジュールとして含んでいる。   The bioreactor device of the present invention is a silicon structure having at least one or more pores on one plane of the structure and having a silicon region having silicon as a main metal element so as to surround the pores. The module includes a silicon-biopolymer complex in which pores are formed in a columnar shape in a direction perpendicular or substantially perpendicular to the plane, and a biopolymer is supported on the wall surface of the pores.

また、上記シリコン構造体が酸化されていたシリコン酸化物−生体高分子複合体をモジュールとして含んでいる。   Moreover, the silicon oxide-biopolymer complex in which the silicon structure is oxidized is included as a module.

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

<シリコン構造体の構成>
図1は、本発明のシリコン又はシリコン酸化物構造体を示す概略図である。
<Configuration of silicon structure>
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a silicon or silicon oxide structure of the present invention.

図1(a)は、細孔の平均孔径が10nm以下であり、かつ互いに隣接する前記細孔の平均間隔が15nm以下であり、前記細孔が互いに独立し、かつ膜面(1以上の細孔を有する構造体の平面)に対して垂直またはほぼ垂直であり、前記細孔を隔てる壁材のシリコン領域がシリコンを主成分とする材料からなるシリコン構造体の模式的平面図である。また、図1(b)は、図1(a)の鎖線AAに沿ってシリコン構造体を切ったときの模式的断面図である。図1において、1は細孔(ナノホール)、2はシリコン領域、3は基板である。   FIG. 1 (a) shows that the average pore diameter of pores is 10 nm or less, the average interval between adjacent pores is 15 nm or less, the pores are independent of each other, and the membrane surface (one or more fine pores). FIG. 3 is a schematic plan view of a silicon structure made of a material whose main component is silicon in which the silicon region of the wall material separating the pores is perpendicular or substantially perpendicular to the plane of the structure having holes). FIG. 1B is a schematic cross-sectional view when the silicon structure is cut along the chain line AA in FIG. In FIG. 1, 1 is a pore (nanohole), 2 is a silicon region, and 3 is a substrate.

本発明のシリコン構造体は、細孔1とシリコンを主金属成分とする組成からなるシリコン領域2(壁材料)により構成されていることを特徴とする。また、前記細孔は、図1(b)に示されているようにシリコン領域により、互いに分離されており、また、基板に対して垂直またはほぼ垂直に形成されている。   The silicon structure of the present invention is characterized by comprising a pore 1 and a silicon region 2 (wall material) having a composition containing silicon as a main metal component. Further, as shown in FIG. 1B, the pores are separated from each other by a silicon region, and are formed perpendicular or nearly perpendicular to the substrate.

また、本発明のシリコン構造体を構成している細孔の形状は、図1(b)に示されているように柱状形状である。また、細孔の孔径(平均孔径を示す)2rは10nm以下であり、細孔の間隔(平均間隔を示す)2Rは15nm以下である。好ましくは、細孔の径2rは1〜9nmであり、その間隔2Rは3〜10nmである。また、長さLは5nm〜数μm、好ましくは2nm〜1000nmの範囲である。ここで平均孔径とは、例えば、実際のSEM写真(約100nm×70nmの範囲)で観察される細孔部分をコンピュータで画像処理して、導出される値である。   Further, the shape of the pores constituting the silicon structure of the present invention is a columnar shape as shown in FIG. The pore diameter (indicating average pore diameter) 2r of the pores is 10 nm or less, and the pore spacing (indicating average spacing) 2R is 15 nm or less. Preferably, the pore diameter 2r is 1 to 9 nm, and the interval 2R is 3 to 10 nm. The length L is in the range of 5 nm to several μm, preferably 2 nm to 1000 nm. Here, the average pore diameter is a value derived, for example, by performing image processing with a computer on a pore portion observed in an actual SEM photograph (a range of about 100 nm × 70 nm).

また、本発明のシリコン構造体内の細孔は、図1(b)に示されるように、細孔と基板を直接つなげることができるが、これに限定されるものではなく、基板と細孔をつなげなくてもよい。   In addition, as shown in FIG. 1 (b), the pores in the silicon structure of the present invention can directly connect the pores and the substrate. However, the present invention is not limited to this. It is not necessary to connect.

また、本発明のシリコン構造体を構成しているシリコン領域の組成は、シリコン(Si)を主成分とするが、アルミニウム酸化物(AlOx)などの酸化物の他、アルゴン(Ar)、窒素(N)などの各種の元素を含有してもよい。シリコン酸化物領域におけるシリコン(Si)の含有量は酸素を除くすべての元素に対して80atomic%以上、好ましくは85〜99atomic%の範囲である。   The composition of the silicon region constituting the silicon structure of the present invention is mainly composed of silicon (Si), but in addition to oxides such as aluminum oxide (AlOx), argon (Ar), nitrogen ( Various elements such as N) may be contained. The silicon (Si) content in the silicon oxide region is 80 atomic% or more, preferably 85 to 99 atomic%, with respect to all elements except oxygen.

なお、アルミニウムの含有量は酸素を除くすべての元素に対して、0.01〜20atomic%の範囲であり、好ましくは0.1〜10atomic%の範囲である。   The aluminum content is in the range of 0.01 to 20 atomic%, preferably in the range of 0.1 to 10 atomic%, with respect to all elements except oxygen.

また、本発明のシリコン構造体を構成しているシリコンの構造は、非晶質シリコンであることが望ましいが、結晶化させて結晶質のシリコン酸化物を含んでいてもよい。   The silicon structure constituting the silicon structure of the present invention is preferably amorphous silicon, but may be crystallized to contain crystalline silicon oxide.

また、本発明のシリコン構造体を酸化してシリコン酸化物構造体としてもよい。酸化して得られた本発明のシリコン酸化物構造体は上記シリコン構造体のシリコンをシリコン酸化物に置換したものであり同じ特性を得ることができる。   Further, the silicon structure of the present invention may be oxidized to form a silicon oxide structure. The silicon oxide structure of the present invention obtained by oxidation is obtained by substituting silicon of the silicon structure with silicon oxide, and can obtain the same characteristics.

また、本発明のシリコン構造体を構成している細孔部分の基板上面からみた形状は、図1(a)のように、ほぼ円形のものでもよいし、また楕円形など任意の形状が可能である。また、本発明のシリコン構造体を構成している細孔部分の基板断面からみた形状は、図1(b)のように長方形形状でもよいし、正方形や台形など任意の形状が可能である。なお、細孔の柱状形状とは上記サイズを満足するものであれば、任意のアスペクト比(長さL/孔径2r)を有する形状を含むものである。なお、好ましくはアスペクト比(長さL/孔径2r)は0.5〜1000の範囲である。   Further, the shape of the pore portion constituting the silicon structure of the present invention viewed from the upper surface of the substrate may be substantially circular as shown in FIG. 1A, or any shape such as an ellipse is possible. It is. Further, the shape of the pore portion constituting the silicon structure of the present invention viewed from the cross section of the substrate may be a rectangular shape as shown in FIG. 1B, or an arbitrary shape such as a square or a trapezoid. The columnar shape of the pore includes a shape having an arbitrary aspect ratio (length L / pore diameter 2r) as long as the size is satisfied. The aspect ratio (length L / hole diameter 2r) is preferably in the range of 0.5 to 1000.

次に、本発明のシリコン又はシリコン酸化物構造体の製造方法を説明する。   Next, the manufacturing method of the silicon or silicon oxide structure of the present invention will be described.

図2は、本発明のシリコン又はシリコン酸化物構造体の製造方法の一例を示す説明図である。図3は、同じく製造方法の他の例を示す説明図である。   FIG. 2 is an explanatory view showing an example of a method for producing a silicon or silicon oxide structure of the present invention. FIG. 3 is an explanatory view showing another example of the manufacturing method.

(a)工程:アルミニウムとシリコンを用意する工程
原料としてのシリコン及びアルミニウムを、例えば、図4に示すように、アルミニウムのターゲット12上にシリコンチップ13を配置する。
(A) Process: The process of preparing aluminum and silicon The silicon | silicone chip 13 is arrange | positioned on the target 12 of aluminum as shown in FIG.

(b)工程:アルミニウムシリコン混合膜の形成工程
次に、基板上にアルミニウムシリコン混合膜を形成する。ここでは、非平衡状態で物質を形成する成膜法として、スパッタリング法を用いた例を示す。
(B) Process: Formation process of aluminum silicon mixed film Next, an aluminum silicon mixed film is formed on a substrate. Here, an example in which a sputtering method is used as a film formation method for forming a substance in a non-equilibrium state is shown.

基板22上に、非平衡状態で物質を形成する成膜法であるマグネトロンスパッタリング法により、アルミニウムシリコン混合膜23を形成する。アルミニウムシリコン混合膜23は、アルミニウムを主成分とする組成からなるアルミニウム柱状構造体21と、その周囲のシリコンを主成分とするシリコン領域24から構成される。   An aluminum silicon mixed film 23 is formed on the substrate 22 by magnetron sputtering, which is a film forming method for forming a substance in a non-equilibrium state. The aluminum silicon mixed film 23 includes an aluminum columnar structure 21 made of a composition containing aluminum as a main component, and a silicon region 24 containing silicon around it as a main component.

図4は、本発明におけるアルミニウムシリコン混合膜の成膜方法の一例を示す概略図である。   FIG. 4 is a schematic view showing an example of a method for forming an aluminum silicon mixed film in the present invention.

図4を用いて、非平衡状態で成膜する方法として、スパッタリング法を用いてアルミニウムシリコン混合体を成膜する方法について説明する。なお、図4において、11が基板、12がアルミニウムのスパッタリングターゲットである。スパッタリング法を用いる場合は、アルミニウムとシリコンの割合を簡単に変化させることができる。   With reference to FIG. 4, a method for forming an aluminum silicon mixture by sputtering will be described as a method for forming a film in a non-equilibrium state. In FIG. 4, 11 is a substrate and 12 is an aluminum sputtering target. When the sputtering method is used, the ratio of aluminum and silicon can be easily changed.

基板11上に、非平衡状態で物質を形成する成膜法であるマグネトロンスパッタリング法により、アルミニウムシリコン混合膜を形成する。   An aluminum silicon mixed film is formed on the substrate 11 by a magnetron sputtering method which is a film forming method for forming a substance in a non-equilibrium state.

原料としてのシリコン及びアルミニウムは、例えば、図4のようにアルミニウムのターゲット12上にシリコンチップ13を配することで達成される。シリコンチップは、図4では、複数に分けて配置しているが、勿論これに限定されるものではなく、所望の成膜が可能であれば、1つであってもよい。但し、均一なアルミニウムを含む柱状構造体をシリコン領域内に均一に分散させるには、基板11に対象(例えば同心円上)に配置しておくのがよい。   Silicon and aluminum as raw materials are achieved, for example, by disposing a silicon chip 13 on an aluminum target 12 as shown in FIG. In FIG. 4, the silicon chips are divided into a plurality of parts, but of course, the present invention is not limited to this, and one silicon chip may be used as long as desired film formation is possible. However, in order to uniformly disperse the columnar structure containing aluminum in the silicon region, it is preferable to dispose the columnar structure on the substrate 11 (for example, concentrically).

また、所定量のアルミニウムとシリコンとの粉末を焼成して作製したアルミニウムシリコン焼成物を成膜のターゲット材として用いることもできる。   Alternatively, a fired aluminum silicon product obtained by firing a predetermined amount of aluminum and silicon powder can be used as a target material for film formation.

また、アルミニウムターゲットとシリコンターゲットを別々に用意し、同時に両方のターゲットをスパッタリングする方法を用いてもよい。   Alternatively, a method of separately preparing an aluminum target and a silicon target and simultaneously sputtering both targets may be used.

形成される膜中のシリコンの量は、アルミニウムとシリコンの全量に対して20〜70atomic%であり、好ましくは25〜65atomic%、さらに好ましくは30〜60atomic%である。シリコン量が斯かる範囲内であれば、シリコン領域内にアルミニウムの柱状構造体が分散したアルミニウムシリコン混合膜が得られる。   The amount of silicon in the formed film is 20 to 70 atomic%, preferably 25 to 65 atomic%, more preferably 30 to 60 atomic%, based on the total amount of aluminum and silicon. If the amount of silicon is within such a range, an aluminum silicon mixed film in which aluminum columnar structures are dispersed in the silicon region can be obtained.

本発明において、シリコンとアルミニウムの割合等を示すatomic%とは、例えば、シリコンとアルミニウムなどの単原子について原子の数の割合を示し、atom%あるいはat%とも記載され、例えば誘導結合型プラズマ発光分析法でアルミニウムシリコン混合膜中のシリコンとアルミニウムの量を定量分析したときの値である。   In the present invention, atomic% indicating the ratio of silicon and aluminum, for example, indicates the ratio of the number of atoms with respect to a single atom such as silicon and aluminum, and is also described as atom% or at%. For example, inductively coupled plasma emission It is a value when the amount of silicon and aluminum in the aluminum silicon mixed film is quantitatively analyzed by the analysis method.

なお、上記割合においては、atomic%を単位として用いているが、wt%を単位として用いる場合は、例えばシリコンが20atomic%以上70atomic%以下の場合は、20.65wt%以上70.84wt%以下となる(atomic%からwt%への換算は、Alの原子量を26.982、Siの原子量を28.086としてAlとSiの重量比を求め、(重量比)×(atomic%)の値からwt%に換算することができる。   In the above ratio, atomic% is used as a unit. However, when wt% is used as a unit, for example, when silicon is 20 atomic% or more and 70 atomic% or less, it is 20.65 wt% or more and 70.84 wt% or less. (Conversion from atomic% to wt% is performed by calculating the weight ratio of Al and Si by assuming that the atomic weight of Al is 26.982 and the atomic weight of Si is 28.086, and the weight ratio (wt. Ratio) × (atomic%) is wt. % Can be converted.

また、基板温度としては、200℃以下であり、好ましくは100℃以下、さらに好ましくは室温(25℃)あるいはそれ以下であるのがよい。   The substrate temperature is 200 ° C. or lower, preferably 100 ° C. or lower, more preferably room temperature (25 ° C.) or lower.

なお、このような方法でアルミニウムシリコン混合膜を形成すると、アルミニウムとシリコンが準安定状態の共晶型組織となり、アルミニウムがシリコンマトリックス中に数nmレベルのナノ構造体(柱状構造体)を形成し、アルミニウムとシリコンが自己組織的に分離する。そのときのアルミニウムはほぼ円柱状形状であり、その孔径は1〜10nmであり、間隔は3〜15nmである。   In addition, when an aluminum silicon mixed film is formed by such a method, aluminum and silicon become a metastable eutectic structure, and aluminum forms a nanostructure (columnar structure) of several nanometers in the silicon matrix. Aluminum and silicon are separated in a self-organizing manner. The aluminum at that time has a substantially cylindrical shape, the pore diameter is 1 to 10 nm, and the interval is 3 to 15 nm.

アルミニウムシリコン混合膜のシリコンの量は、例えばアルミニウムターゲット上に置くシリコンチップの量を変えることで制御できる。   The amount of silicon in the aluminum silicon mixed film can be controlled, for example, by changing the amount of silicon chips placed on the aluminum target.

非平衡状態で成膜を行う場合、特にスパッタリング法の場合は、アルゴンガスを流したときの反応装置内の圧力は、0.2〜1Pa程度がよく、プラズマを形成するための出力は4インチターゲットの場合は150から1000W程度が好ましい。しかし、特に、これに限定されるものではなく、アルゴンプラズマが安定に形成される圧力及び出力であればよい。   When film formation is performed in a non-equilibrium state, particularly in the case of sputtering, the pressure in the reaction apparatus when argon gas is flowed is preferably about 0.2 to 1 Pa, and the output for forming plasma is 4 inches. In the case of a target, about 150 to 1000 W is preferable. However, the present invention is not particularly limited to this, and any pressure and output may be used as long as argon plasma is stably formed.

基板としては、例えば石英ガラスやプラスチックをはじめとする絶縁体基板やシリコンやガリウム砒素をはじめとする半導体基板、金属基板などの基板や、これらの基板の上に1層以上の膜を形成したものが挙げられる。なお、アルミニウムシリコン混合膜の形成に不都合がなければ、基板の材質、厚さ、機械的強度などは特に限定されるものではない。   As a substrate, for example, an insulating substrate such as quartz glass or plastic, a semiconductor substrate such as silicon or gallium arsenide, a substrate such as a metal substrate, or one or more films formed on these substrates Is mentioned. If there is no problem in forming the aluminum silicon mixed film, the material, thickness, mechanical strength, etc. of the substrate are not particularly limited.

また、基板の形状としては平滑な板状のものに限らず、曲面を有するもの、表面にある程度の凹凸や段差を有するものなどが挙げられるが、アルミニウムシリコン混合膜に不都合がなければ、特に限定されるものではない。   In addition, the shape of the substrate is not limited to a flat plate shape, but may include a curved surface, a surface having a certain degree of unevenness or a step, etc. Is not to be done.

非平衡状態で物質を形成する成膜法は、スパッタリング法が好ましいが抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着(EB蒸着)をはじめとする任意の非平衡状態で物質を形成する成膜法が適用可能である。   A sputtering method is preferable as a film forming method for forming a substance in a non-equilibrium state, but a film forming method for forming a substance in any non-equilibrium state such as resistance heating vapor deposition and electron beam vapor deposition (EB vapor deposition) can be applied. is there.

また、成膜する方法としては、シリコンとアルミニウムを同時に形成する同時成膜プロセスを用いてもよいし、シリコンとアルミニウムを数原子層づつ積層する積層成膜プロセスを用いてもよい。   As a method for forming a film, a simultaneous film formation process in which silicon and aluminum are formed at the same time may be used, or a stacked film formation process in which silicon and aluminum are stacked in several atomic layers may be used.

上記の様にして成膜されたアルミニウムシリコン混合膜23は、アルミニウムを主成分とする組成からなるアルミニウム柱状構造体21と、その周囲のシリコンを主成分とするシリコン領域24を備える。   The aluminum silicon mixed film 23 formed as described above includes an aluminum columnar structure 21 made of a composition containing aluminum as a main component, and a silicon region 24 containing silicon as its main component.

アルミニウムを含有する柱状構造体部21の組成は、アルミニウムを主成分とするが、柱状構造の微細構造体が得られていれば、シリコン、酸素、アルゴン、窒素などの他の元素を含有していてもよい。なお、主成分とは、柱状構造体部の成分構成比においてアルミニウムの割合が80atomic%以上、好ましくは90atomic%以上が望ましい。   The composition of the columnar structure 21 containing aluminum is mainly composed of aluminum. However, if a fine structure having a columnar structure is obtained, it contains other elements such as silicon, oxygen, argon, and nitrogen. May be. Note that the main component means that the proportion of aluminum is 80 atomic% or more, preferably 90 atomic% or more in the component composition ratio of the columnar structure portion.

また、アルミニウム柱状構造体の周囲を取り囲んでいるシリコン領域24の組成は、シリコンを主成分とするが、柱状構造の微細構造体が得られていれば、アルミニウム、酸素、アルゴン、窒素、水素などの各種の元素を含有してもよい。なお、主成分とは、シリコン領域の成分構成比においてシリコンの割合が80atomic%以上、好ましくは90atomic%以上が望ましい。   The composition of the silicon region 24 surrounding the aluminum columnar structure is mainly composed of silicon. If a microstructure having a columnar structure is obtained, aluminum, oxygen, argon, nitrogen, hydrogen, etc. These various elements may be contained. Note that the main component is preferably a silicon ratio of 80 atomic% or more, and preferably 90 atomic% or more in the component composition ratio of the silicon region.

(c)工程:細孔形成工程
上記のアルミニウムシリコン混合膜中のアルミニウム領域(アルミニウムを含む柱状構造体領域)のみを選択的にエッチングを行う。このエッチング方法としては、アルミニウムのみを選択的に溶解する酸やアルカリを用いたウエットエッチングが好ましい。その結果、アルミニウムシリコン混合膜には、細孔を有するシリコン領域のみが残り、シリコン構造体25が形成される。なお、シリコン構造体25中の細孔26は、間隔2Rが15nm以下、孔径2rが10nm以下であるが、好ましくは、細孔の孔径2rは1〜9nmであり、その中心間距離2Rは3〜10nmである。また、長さLは1nm〜数μmの範囲である。なお、アルミニウム領域のみを選択的にエッチングとは、実質的にアルミニウム部分が除去されればよい。
(C) Process: Pore formation process Only the aluminum area | region (columnar structure body area | region containing aluminum) in said aluminum silicon mixed film is selectively etched. As this etching method, wet etching using an acid or alkali that selectively dissolves only aluminum is preferable. As a result, only the silicon region having pores remains in the aluminum silicon mixed film, and the silicon structure 25 is formed. The pores 26 in the silicon structure 25 have an interval 2R of 15 nm or less and a pore diameter 2r of 10 nm or less. Preferably, the pore diameter 2r is 1 to 9 nm, and the center distance 2R is 3 nm. -10 nm. The length L is in the range of 1 nm to several μm. Note that selective etching of only the aluminum region means that the aluminum portion is substantially removed.

ウエットエッチングに用いる溶液は、例えば、アルミニウムを溶かしシリコンをほとんど溶解しない、りん酸、硫酸、塩酸、クロム酸溶液などの酸が挙げられるが、エッチングによる細孔形成に不都合がなければ水酸化ナトリウムなどのアルカリを用いることができ、特に酸の種類やアルカリの種類に限定されるものではない。また、数種類の酸溶液やあるいは数種類のアルカリ溶液を混合したものを用いてもよい。またエッチング条件は、例えば、溶液温度、濃度、時間などは、作製するシリコン構造体に応じて、適宜設定することができる。   Examples of the solution used for wet etching include acids such as phosphoric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, and chromic acid solution in which aluminum is dissolved but silicon is hardly dissolved. The alkali can be used, and is not particularly limited to the type of acid or the type of alkali. Moreover, you may use what mixed several types of acid solutions or several types of alkali solutions. Etching conditions can be set as appropriate according to the silicon structure to be manufactured, for example, solution temperature, concentration, time, and the like.

さらに、以下の工程(d)を加えることによってシリコン酸化物構造体を得ることができる。   Furthermore, a silicon oxide structure can be obtained by adding the following step (d).

(d)工程:シリコン構造体の酸化工程
工程(c)で作製されたシリコン構造体の酸化方法としては、酸素雰囲気中で加熱する方法の他、水蒸気中あるいは空気中での加熱、陽極酸化、酸素プラズマにさらすなどの任意のシリコン酸化方法が適用可能である。シリコン領域のシリコンは酸化されてシリコン酸化物領域29となり、シリコン酸化物構造体28が得られる。
Step (d): Oxidation step of silicon structure As a method for oxidizing the silicon structure produced in step (c), in addition to a method of heating in an oxygen atmosphere, heating in water vapor or air, anodization, Any silicon oxidation method such as exposure to oxygen plasma can be applied. The silicon in the silicon region is oxidized into a silicon oxide region 29, and a silicon oxide structure 28 is obtained.

また、本発明は、図3の工程(e')に示す様に、工程(c)で作製されたシリコン構造体の細孔の拡大を行なったシリコン構造体を、酸素雰囲気中で加熱し、シリコン酸化物構造体を得る方法でもよい。また、孔壁全てを酸化物にする必要がない場合には、酸化工程の時間を短くしてもよい。   In addition, as shown in the step (e ′) of FIG. 3, the present invention heats the silicon structure in which the pores of the silicon structure produced in the step (c) are enlarged in an oxygen atmosphere, A method of obtaining a silicon oxide structure may be used. Moreover, when it is not necessary to make all the hole walls into an oxide, the time of the oxidation process may be shortened.

(e)及び(e')工程:細孔径の拡大工程
細孔径の拡大工程は、図2に示す様に、工程(d)で作製されたシリコン酸化物構造体の細孔の拡大[(e)工程]を行う。または、図3に示す様に、工程(c)で作製されたシリコン構造体の細孔の拡大[(e')工程]を行う。27は、拡大した細孔を示している。
Steps (e) and (e ′): pore diameter expansion step As shown in FIG. 2, the pore diameter expansion step is performed by expanding the pores of the silicon oxide structure produced in the step (d) [(e ) Step]. Alternatively, as shown in FIG. 3, enlargement of pores of the silicon structure produced in the step (c) [(e ′) step] is performed. Reference numeral 27 denotes enlarged pores.

細孔径の拡大は、上記シリコン構造体またはシリコン酸化物構造体に対してシリコンまたはシリコン酸化物を溶解する酸溶液(例えばフッ化水素を薄めた溶液など)、あるいはアルカリ溶液(水酸化ナトリウムなど)中に浸すポアワイド処理(孔径拡大処理)により、適宜、細孔径を広げることができる。   The enlargement of the pore diameter can be achieved by an acid solution (for example, a solution obtained by diluting hydrogen fluoride) or an alkaline solution (for example, sodium hydroxide) that dissolves silicon or silicon oxide in the silicon structure or silicon oxide structure. The pore diameter can be appropriately expanded by pore wide treatment (pore diameter enlargement treatment) immersed in the inside.

この溶液も特に細孔の拡大に問題がなければどのような酸及びアルカリを用いてもよい。また、数種類の酸溶液やあるいは数種類のアルカリ溶液を混合したものを用いてもよい。   Any acid and alkali may be used for this solution as long as there is no problem in pore enlargement. Moreover, you may use what mixed several types of acid solutions or several types of alkali solutions.

また細孔孔径拡大(ポアワイド処理)条件は、例えば、溶液温度、濃度、時間などは、作製する細孔の大きさに応じて、適宜設定することができる。   In addition, for pore diameter expansion (pore wide treatment) conditions, for example, solution temperature, concentration, time, and the like can be appropriately set according to the size of the pores to be produced.

上記の様に、本発明のシリコン酸化物構造体の製造方法は、細孔の孔径の拡大をシリコン構造体の作製後に行う方法、またはシリコン酸化物構造体を作製した後に、細孔の孔径の拡大処理を行う方法が含まれる。このときもシリコン酸化物を溶解する任意の酸やアルカリ溶液を使用することができる。   As described above, the method for producing a silicon oxide structure according to the present invention is a method in which the pore diameter of pores is increased after the production of the silicon structure, or the pore diameter of pores after the production of the silicon oxide structure. A method for performing enlargement processing is included. At this time, any acid or alkali solution capable of dissolving silicon oxide can be used.

次に、上記の方法により得られたシリコン酸化物構造体の細孔内に生体高分子を担持する方法について述べる。   Next, a method for supporting a biopolymer in the pores of the silicon oxide structure obtained by the above method will be described.

本発明において、シリコン酸化物構造体に担持する生体高分子としては、核酸分子またはタンパク質から少なくとも一種類以上選択される。特に、分子量の大きいタンパク質分子はその径がシリコン酸化物構造体の細孔径以下であることが望ましい。   In the present invention, the biopolymer supported on the silicon oxide structure is selected from at least one nucleic acid molecule or protein. In particular, it is desirable that a protein molecule having a large molecular weight has a diameter not larger than the pore diameter of the silicon oxide structure.

シリコン酸化物構造体の細孔へ生体高分子を担持する方法としては、生体高分子を含む水溶液中に前記構造体を浸漬する方法が最も簡便である。この時の生体高分子を含有する水溶液の生体高分子濃度、その他塩濃度、及び温度等の反応条件は、生体高分子の表面荷電特性、径及びシリコン酸化物の細孔の形状・大きさを考慮して適宜選択される。   The simplest method for supporting the biopolymer in the pores of the silicon oxide structure is to immerse the structure in an aqueous solution containing the biopolymer. At this time, the reaction conditions such as the biopolymer concentration of the aqueous solution containing the biopolymer, the other salt concentrations, and the temperature are determined by the surface charge characteristics of the biopolymer, the diameter, and the shape and size of the pores of the silicon oxide. It chooses suitably in consideration.

上記のようにして得られたシリコン酸化物構造体表面を洗浄し、細孔以外の構造体表面に吸着した生体高分子を除去し、所望の条件により前記構造体を乾燥するにより生体高分子を担持した本発明の多孔質構造体を得る。   The surface of the silicon oxide structure obtained as described above is washed, the biopolymer adsorbed on the surface of the structure other than the pores is removed, and the structure is dried under the desired conditions to remove the biopolymer. A supported porous structure of the present invention is obtained.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.

[実施例1]
図5は、本発明のシリコン又はシリコン酸化物構造体の一例を示す概略図である。
[Example 1]
FIG. 5 is a schematic view showing an example of the silicon or silicon oxide structure of the present invention.

31は基板、32は細孔、33はシリコン酸化物領域である。   31 is a substrate, 32 is a pore, and 33 is a silicon oxide region.

本実施例は平均細孔間隔2Rが8nmであり、平均細孔径2rが5nmであり、高さLが200nmである細孔を有するシリコン酸化物構造体を形成した例を示す。   This example shows an example in which a silicon oxide structure having pores having an average pore interval 2R of 8 nm, an average pore diameter 2r of 5 nm, and a height L of 200 nm is formed.

図2(b)に示すように、シリコン基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いて、シリコンをアルミニウムとシリコンの全量に対して37atomic%含んだアルミニウムシリコン混合膜を約200nmの厚さに形成した。ターゲットには、直径が4インチ(101.6mm)の円形のアルミニウムターゲット上に15mm角のシリコンチップを6枚置いたものを用いた。スパッタ条件は、RF電源を用いて、Ar流量:50sccm、放電圧力:0.7Pa、投入電力:1kWとした。また、基板温度は室温(25℃)とした。   As shown in FIG. 2B, an aluminum-silicon mixed film containing silicon at 37 atomic% with respect to the total amount of aluminum and silicon was formed on a silicon substrate by a magnetron sputtering method to a thickness of about 200 nm. The target used was a 6-inch silicon chip of 15 mm square placed on a circular aluminum target having a diameter of 4 inches (101.6 mm). Sputtering conditions were as follows: using an RF power source, Ar flow rate: 50 sccm, discharge pressure: 0.7 Pa, and input power: 1 kW. The substrate temperature was room temperature (25 ° C.).

なお、ここではターゲットとして、アルミニウムターゲット上にシリコンチップを6枚置いたものを用いたが、シリコンチップの枚数はこれに限定されるものではなく、スパッタリング条件により変化し、アルミニウムシリコン混合膜の組成が約37atomic%近辺になればよい。また、ターゲットはアルミニウムターゲット上にシリコンチップを置いたものに限定するものではなく、シリコンターゲット上にアルミニウムチップを置いたものでもよいし、シリコンとアルミニウムを焼結したターゲットを用いてもよい。   In this case, the target used was six silicon chips placed on an aluminum target. However, the number of silicon chips is not limited to this, and the composition of the aluminum silicon mixed film varies depending on sputtering conditions. Should be around 37 atomic%. The target is not limited to a silicon chip placed on an aluminum target, and an aluminum chip placed on a silicon target may be used, or a target obtained by sintering silicon and aluminum may be used.

なお、FE−SEM(電界放出走査型電子顕微鏡)にて、アルミニウムシリコン混合膜を観察したところ、図2(b)のように、シリコン領域に囲まれた円形のアルミニウム柱状構造体が二次元的に配列していた。また、アルミニウム柱状構造体の孔径は6nmであり、その平均中心間間隔は8nmであった。また、高さは200nmであり、それぞれのアルミニウム柱状構造体部分はシリコン領域により互いに分離されていた。   When the aluminum silicon mixed film was observed with an FE-SEM (field emission scanning electron microscope), a circular aluminum columnar structure surrounded by a silicon region was two-dimensionally shown in FIG. Was arranged. Moreover, the hole diameter of the aluminum columnar structure was 6 nm, and the average center-to-center distance was 8 nm. The height was 200 nm, and the respective aluminum columnar structure portions were separated from each other by the silicon region.

このようなシリコンをアルミニウムとシリコンの全量に対して37atomic%含んだアルミニウムシリコン混合膜をりん酸5wt%中にて4時間浸し、アルミニウム柱状構造体部分のみを選択的にエッチングして細孔を形成した。この結果、シリコン構造体が作製された。   An aluminum / silicon mixed film containing 37 atomic% of silicon and aluminum based on the total amount of silicon is immersed in 5 wt% of phosphoric acid for 4 hours, and only the aluminum columnar structure is selectively etched to form pores. did. As a result, a silicon structure was produced.

次に、FE−SEMにて、りん酸エッチングしたアルミニウムシリコン混合膜(シリコン構造体)を観察した。基板真上方向から見た表面の形状はシリコン領域に囲まれた細孔が二次元的に配列していた。細孔部の孔径は6nmであり、その平均間隔は約8nmであった。また、断面をFE−SEMにて観察したところ、高さは200nmであり、それぞれの細孔部分はシリコン領域により隔たれており互いに独立していた。また、細孔と基板の間には被膜の形成はなく基板と細孔の底部が直接つながっていた。   Next, the phospho-etched aluminum silicon mixed film (silicon structure) was observed with FE-SEM. The shape of the surface viewed from directly above the substrate was a two-dimensional array of pores surrounded by silicon regions. The pore diameter of the pores was 6 nm, and the average interval was about 8 nm. Moreover, when the cross section was observed with FE-SEM, the height was 200 nm, and each pore part was separated by the silicon | silicone area | region, and was mutually independent. Further, no film was formed between the pore and the substrate, and the substrate and the bottom of the pore were directly connected.

なお、FE−SEMにて、作製したシリコン酸化物構造体を観察した。基板真上方向から見た表面の形状はシリコンに囲まれた細孔が二次元的に配列していた。細孔部の孔径は5nmであり、その平均間隔は約8nmであった。また、断面をFE−SEMにて観察した所、高さは200nmであり、それぞれの細孔部分はシリコン領域により隔たれておりお互いに独立していた。また、細孔と基板の間には被膜の形成はなく直接つながっていた。   In addition, the produced silicon oxide structure was observed with FE-SEM. The shape of the surface viewed from directly above the substrate was a two-dimensional array of pores surrounded by silicon. The pore diameter of the pores was 5 nm, and the average interval was about 8 nm. Moreover, when the cross section was observed with FE-SEM, the height was 200 nm and each pore part was separated by the silicon | silicone area | region and was mutually independent. Moreover, there was no film formation between the pores and the substrate, and they were directly connected.

この結果、図4に示されるようなシリコン構造体が作製された。   As a result, a silicon structure as shown in FIG. 4 was produced.

シリコン領域中のシリコンの含有量は、酸素を除くすべての原子に対して約90atomic%であった。   The silicon content in the silicon region was about 90 atomic% for all atoms except oxygen.

次に、得られたシリコン構造体の細孔内に西洋わさび由来のペルオキシダーゼ(HRP)を固定化する方法について以下に説明する。   Next, a method for immobilizing horseradish-derived peroxidase (HRP) in the pores of the obtained silicon structure will be described below.

りん酸水溶液(pH7.4)にHRP0.5gとヨウ化カリウムを30mMとなるように加える。得られるりん酸水溶液中に上記シリコン酸化物構造体を浸漬し、室温にて一晩攪拌する。その後、シリコン酸化物構造体を引き上げ、イオン交換水にて表裏を洗浄し、室温にて一日間静置して乾燥する。これにより、HRP固定化シリコン酸化物構造体を得る。   To an aqueous phosphoric acid solution (pH 7.4), 0.5 g of HRP and potassium iodide are added to 30 mM. The silicon oxide structure is immersed in the resulting phosphoric acid aqueous solution and stirred overnight at room temperature. Thereafter, the silicon oxide structure is pulled up, the front and back surfaces are washed with ion exchange water, and left to stand at room temperature for one day to dry. Thereby, an HRP-immobilized silicon oxide structure is obtained.

[実施例2]
次に、本発明で得られる多孔質構造体を作製する方法について以下に示す。
[Example 2]
Next, a method for producing a porous structure obtained by the present invention will be described below.

実施例1において、基板をプラチナ酸化物基板とした以外は同様な方法によりシリコン構造体を基板上に形成する
得られるシリコン酸化物構造体の平均細孔間隔2Rが8nmであり、平均細孔径2rが5nmであり、高さLで10nmが形成されている。
In Example 1, a silicon structure is formed on a substrate by the same method except that the substrate is a platinum oxide substrate. The resulting silicon oxide structure has an average pore spacing 2R of 8 nm and an average pore diameter of 2r. Is 5 nm, and 10 nm is formed at the height L.

なお、実施例1と同様にラマン分光法により測定した所、シリコン構造体が非晶質シリコンであることが確かめられた。   Note that, when measured by Raman spectroscopy as in Example 1, it was confirmed that the silicon structure was amorphous silicon.

上記シリコン構造体を酸素雰囲気中で加熱した。ここでは、大気圧で酸素を50sccm流しながら、800℃で2時間加熱した。この結果、シリコン酸化物構造体が作製された。   The silicon structure was heated in an oxygen atmosphere. Here, heating was performed at 800 ° C. for 2 hours while flowing oxygen at 50 sccm at atmospheric pressure. As a result, a silicon oxide structure was produced.

また、広域電子エネルギー損失構造解析(EELS)により、シリコン構造体を酸化した試料を測定したところ、この試料は酸素とシリコンが結合しており、この試料が酸化シリコンであることが確認できた。   Further, when a sample obtained by oxidizing a silicon structure was measured by wide area electron energy loss structure analysis (EELS), it was confirmed that oxygen and silicon were bonded to this sample, and this sample was silicon oxide.

なお、実施例1と同様にFE−SEMにて、作製したシリコン酸化物構造体を観察した。基板真上方向から見た表面の形状はシリコン酸化物に囲まれた細孔が二次元的に配列していた。細孔部の孔径は5nmであり、その平均間隔は約8nmであった。また、断面をFE−SEMにて観察した所、高さは200nmであり、それぞれの細孔部分はシリコン酸化物領域により隔たれており互いに独立していた。また、細孔と基板の間には被膜の形成はなく直接つながっていた。   In addition, the produced silicon oxide structure was observed by FE-SEM as in Example 1. The shape of the surface viewed from directly above the substrate was a two-dimensional array of pores surrounded by silicon oxide. The pore diameter of the pores was 5 nm, and the average interval was about 8 nm. Moreover, when the cross section was observed with FE-SEM, the height was 200 nm, and each pore part was separated by the silicon oxide region and was mutually independent. Moreover, there was no film formation between the pores and the substrate, and they were directly connected.

シリコン酸化物領域中のシリコンの含有量は、酸素を除くすべての原子に対して約90atomic%であった。   The silicon content in the silicon oxide region was about 90 atomic% for all atoms except oxygen.

次に、実施例1と同様にして得られたシリコン酸化物構造体の細孔内に西洋わさび由来のペルオキシダーゼ(HRP)を以下の方法により固定化する。   Next, horseradish-derived peroxidase (HRP) is immobilized in the pores of the silicon oxide structure obtained in the same manner as in Example 1 by the following method.

りん酸水溶液(pH7.4)にHRP0.5gとヨウ化カリウムを30mMとなるように加える。得られるりん酸水溶液中に上記シリコン酸化物構造体を浸漬し、室温にて一晩攪拌する。その後、シリコン酸化物構造体を引き上げ、イオン交換水にて表裏を洗浄し、室温にて一日間静置して乾燥する。これにより、HRP固定化シリコン酸化物構造体を得る。   To an aqueous phosphoric acid solution (pH 7.4), 0.5 g of HRP and potassium iodide are added to 30 mM. The silicon oxide structure is immersed in the resulting phosphoric acid aqueous solution and stirred overnight at room temperature. Thereafter, the silicon oxide structure is pulled up, the front and back surfaces are washed with ion exchange water, and left to stand at room temperature for one day to dry. Thereby, an HRP-immobilized silicon oxide structure is obtained.

[実施例3]
上記で得られるシリコン酸化物構造体を用いたバイオセンサについて以下に示す。
[Example 3]
A biosensor using the silicon oxide structure obtained above will be described below.

実施例2で得られたHRP固定化電極を作用電極、対極として白金、参照電極として銀/塩化銀電極を30mMヨウ化カリウム/りん酸水溶液(pH7.4)を満たした容器に浸漬し、酵素電極測定系を作製する。   The HRP-immobilized electrode obtained in Example 2 was immersed in a container filled with a working electrode, platinum as a counter electrode, and a silver / silver chloride electrode as a reference electrode filled with 30 mM potassium iodide / phosphoric acid aqueous solution (pH 7.4). An electrode measurement system is prepared.

次に、作用電極であるHRP固定化電極の電位を−100mVに固定した状態で、測定系に過酸化水素溶液を終濃度10乃至500μMになるように添加し、そのときのHRP固定化電極の電流値を測定する。   Next, with the potential of the working electrode HRP immobilized electrode fixed at −100 mV, a hydrogen peroxide solution was added to the measurement system to a final concentration of 10 to 500 μM. Measure the current value.

その結果、添加する過酸化水素量に比例したHRP固定化電極電流の増加が観察される。
上記過酸化水素電極が過酸化水素センサとして機能することが期待される。
As a result, an increase in HRP-immobilized electrode current proportional to the amount of hydrogen peroxide added is observed.
The hydrogen peroxide electrode is expected to function as a hydrogen peroxide sensor.

[実施例4]
実施例2で得られるシリコン酸化物構造体を用いたバイオリアクタについて以下に示す。
[Example 4]
A bioreactor using the silicon oxide structure obtained in Example 2 is shown below.

上記で得られたHRP固定化シリコン酸化物構造体をHRP換算で約1.0mgとなるように50mlビーカに秤量する。次に、50mMTris−酢酸ナトリウム溶液20mL加え、軽く攪拌する。さらに、上記マイクロチューブを60℃にて1時間温浴する。HRP固定化シリコン酸化物構造体を取り出し、室温に放置しながら冷却する。冷却したHRP固定化シリコン酸化物構造体は、50mMTris−酢酸ナトリウム溶液に浸漬し、攪拌しながら洗浄する。   The HRP-immobilized silicon oxide structure obtained above is weighed into a 50 ml beaker so as to be about 1.0 mg in terms of HRP. Next, 20 mL of 50 mM Tris-sodium acetate solution is added and gently stirred. Further, the microtube is bathed at 60 ° C. for 1 hour. The HRP-immobilized silicon oxide structure is taken out and cooled while being left at room temperature. The cooled HRP-immobilized silicon oxide structure is immersed in a 50 mM Tris-sodium acetate solution and washed with stirring.

このようにして得られるHRP固定化シリコン酸化物構造体の酵素活性を以下の手順で測定する。   The enzyme activity of the HRP-immobilized silicon oxide structure thus obtained is measured by the following procedure.

50mMTris−酢酸ナトリウム水溶液10mL、3000ppmのフェノ−ル水溶液400μL、30%過酸化水素水を100μL添加し、30℃にてゆっくりと攪拌しながら1時間反応させる。   10 mL of 50 mM Tris-sodium acetate aqueous solution, 400 μL of 3000 ppm phenol aqueous solution and 100 μL of 30% aqueous hydrogen peroxide are added, and the mixture is reacted at 30 ° C. for 1 hour with slow stirring.

次に、上記反応液を100μLに1%4−アミノアンチピリン/1Mグリンシン液(pH9.6)を加え、490nmによる吸光度から以下のような酵素活性低下を評価する。   Next, 1% 4-aminoantipyrine / 1M glycine solution (pH 9.6) is added to 100 μL of the reaction solution, and the following enzyme activity decrease is evaluated from the absorbance at 490 nm.

酵素活性の評価は、熱処理を行っていないHRPの吸光度に対する相対的な比較である。
また、アミノシラン処理を行ったシリカに対してグルタルアルデヒドを用いてHRPを固定化したHRP/シリカに対しても上記と同様な熱処理を行い、酵素活性低下の評価を行う。
The evaluation of enzyme activity is a relative comparison to the absorbance of HRP that has not been heat-treated.
Further, HRP / silica obtained by immobilizing HRP with glutaraldehyde on silica subjected to aminosilane treatment is also subjected to the same heat treatment as described above to evaluate the decrease in enzyme activity.

本実施例のシリコン酸化物構造体に固定化したHRPでは、約15%の酵素活性がみられた。一方、HRP/シリカでは約70%の活性が低下している。   In the HRP immobilized on the silicon oxide structure of this example, an enzyme activity of about 15% was observed. On the other hand, about 70% of the activity is reduced in HRP / silica.

以上の結果から、シリコン酸化物構造体に固定化されたHRPは熱安定性に優れ、安定なバイオリアクタとして機能することが期待される。   From the above results, HRP immobilized on the silicon oxide structure is expected to be excellent in thermal stability and function as a stable bioreactor.

本発明のシリコン又はシリコン酸化物構造体を示す概略図である。It is the schematic which shows the silicon | silicone or silicon oxide structure of this invention. 本発明のシリコン又はシリコン酸化物構造体の製造方法の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the manufacturing method of the silicon | silicone or silicon oxide structure of this invention. 同じく製造方法の他の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which similarly shows the other example of a manufacturing method. 本発明におけるアルミニウムシリコン混合膜の成膜方法の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the film-forming method of the aluminum silicon mixed film in this invention. 本発明のシリコン又はシリコン酸化物構造体の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the silicon | silicone or silicon oxide structure of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1,26,32 細孔
2,29,33 シリコン又はシリコン酸化物領域
3,22,31 基板
11 基板
12 スパッタリングターゲット
13 シリコンチップ
14 Arプラズマ
21 アルミニウム柱状構造体
23 アルミニウムシリコン混合膜
24 シリコン領域
25 シリコン構造体
27 拡大した細孔
28 シリコン酸化物構造体
1,26,32 Pore 2,29,33 Silicon or silicon oxide region 3,22,31 Substrate 11 Substrate 12 Sputtering target 13 Silicon chip 14 Ar plasma 21 Aluminum columnar structure 23 Aluminum silicon mixed film 24 Silicon region 25 Silicon Structure 27 Expanded pores 28 Silicon oxide structure

Claims (8)

孔に機能性材料を担持した多孔質構造体あって、
前記構造体は共晶を形成する成分としてのシリコン及びアルミニウムを含有し、複数の柱状の孔を有していて且つ前記孔の壁面に機能性材料として生体高分子が担持されていることを特徴とする多孔質構造体。
A porous structure supporting the functional material in the hole,
The structure contains silicon and aluminum as components for forming a eutectic, has a plurality of columnar holes, and a biopolymer is supported on the wall surface of the holes as a functional material. A porous structure.
前記孔の平均直径が10nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の多孔質構造体。   The porous structure according to claim 1, wherein an average diameter of the pores is 10 nm or less. 前記生体高分子が、たんぱく質、核酸、又はたんぱく質と核酸の何れかであることを特徴とする請求項1〜2のいずれかに記載の多孔質構造体。 The porous structure according to claim 1 , wherein the biopolymer is a protein, a nucleic acid, or a protein and a nucleic acid. 前記核酸が、デオキシリボ核酸、リボ核酸の何れかであることを特徴とする請求項3に記載の多孔質構造体。 The porous structure according to claim 3 , wherein the nucleic acid is either deoxyribonucleic acid or ribonucleic acid. 酸化物を含有することを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の多孔質構造体。 The porous structure according to any one of claims 1 to 4 , comprising an oxide. 酸素を除く元素の総量に対してシリコンを80atomic%以上含有することを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の多孔質構造体。 The porous structure according to any one of claims 1 to 5 , wherein silicon is contained in an amount of 80 atomic% or more based on a total amount of elements excluding oxygen. 請求項1〜6の何れかに記載の多孔質構造体を備えたバイオセンサ装置。 The biosensor apparatus provided with the porous structure in any one of Claims 1-6 . 請求項1〜6の何れかに記載の多孔質構造体を備えたバイオリアクタ装置。 The bioreactor apparatus provided with the porous structure in any one of Claims 1-6 .
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