JP4819640B2 - Cellulosic material film, biosensor using the same, and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、バイオセンサ用生体分子認識材料の固定機能および送液機能を兼ね備えるセルロース系材料、および該材料を含むバイオセンサに関するものである。   The present invention relates to a cellulosic material having both a fixing function and a liquid feeding function of a biomolecule recognition material for a biosensor, and a biosensor including the material.

表面プラズモン共鳴(SPR)法に代表される全反射光学系を用いるセンサシステムは、基板表面(全反射面)の近傍で生じる屈折率変化を選択的に検出するシステムである。このシステムは、基板表面近傍に分子選択性物質を固定化することによって、サンプル中に含まれる測定対象物質の吸着反応による基板表面近傍での屈折率変化を高感度に検出することができるため、バイオセンサ用システムとしての有用性が高い。また、利用する光の波長や光学系の設計により多少の違いがあるものの、多くはセンシング可能な領域は基板表面から1μm以内の距離の領域であり、微量のサンプルを用いた高感度の測定が可能である。   A sensor system using a total reflection optical system typified by a surface plasmon resonance (SPR) method is a system that selectively detects a refractive index change that occurs in the vicinity of a substrate surface (total reflection surface). By immobilizing a molecule selective substance near the substrate surface, this system can detect the refractive index change near the substrate surface due to the adsorption reaction of the measurement target substance contained in the sample with high sensitivity. It is highly useful as a biosensor system. In addition, although there are some differences depending on the wavelength of light used and the design of the optical system, in many cases, the sensing area is an area within a distance of 1 μm from the surface of the substrate. Is possible.

SPRに代表される全反射光学系を用いるバイオセンサでは、一般に、基板の上に生体系分子選択性材料が固定化されたセンサ膜を有する取替え可能なチップを用いて測定する。バイオセンサにおいて安定かつ感度の高い応答を得るためには、生体系分子選択性材料をより多量に安定に固定化し、かつ、サンプルである液体試料を安定に送液する機能が求められる。   In a biosensor using a total reflection optical system typified by SPR, measurement is generally performed using a replaceable chip having a sensor film having a biomolecule-selective material immobilized on a substrate. In order to obtain a stable and sensitive response in a biosensor, a function of stably immobilizing a biological molecule-selective material in a larger amount and stably feeding a liquid sample as a sample is required.

バイオセンサ用チップのセンサ膜の材料は、センサ膜の感度向上、ならびに生体系分子選択性材料を固定化するための空間の確保という観点から、低密度であることが望ましい。また、生体系分子選択性材料の固定化機能を有することが望まれる。しかしながら、セルロース系材料の中でも低密度の膜を形成可能な材料であるセルロースアセテートのみを主成分とする膜の場合、生体系分子選択性材料の共有結合による固定化に寄与する官能基を持たない。したがって、何らの処理も施さないセルロースアセテートは、化学的固定化に適さない。また、センサ膜の材料には、サンプルに含まれる夾雑物(たとえば、血清に由来するタンパク質など)の吸着を抑える機能を有することも望まれている。   The material of the sensor membrane of the biosensor chip is desirably low density from the viewpoint of improving the sensitivity of the sensor membrane and securing a space for immobilizing the biomolecule selective material. In addition, it is desired to have a function of immobilizing a biomolecule selective material. However, in the case of a membrane mainly composed of cellulose acetate, which is a material capable of forming a low-density membrane among cellulosic materials, it does not have a functional group that contributes to the covalent immobilization of the biomolecule-selective material. . Therefore, cellulose acetate without any treatment is not suitable for chemical immobilization. In addition, it is also desired that the material of the sensor film has a function of suppressing adsorption of contaminants (for example, proteins derived from serum) contained in the sample.

また、現状のバイオセンサにおいては、ポンプを用いてサンプルの送液を行うことが一般的である。しかしながら、測定の低コスト化および簡便化、ならびにバイオセンサのメンテナンスフリー化を目的として、センサ膜自身に送液機能を持たせることが検討されてきている。そのような機構の1つとして、水溶液が毛細管現象によってろ紙へと滲み込む効果の利用が検討され、プラスチックの流路にろ紙を入れた測定チップが発表されている(非特許文献1参照)。   Moreover, in the current biosensor, it is common to feed a sample using a pump. However, for the purpose of cost reduction and simplification of measurement, and maintenance-free biosensors, it has been studied to provide a sensor film with a liquid feeding function. As one of such mechanisms, the use of the effect of an aqueous solution soaking into a filter paper by capillary action has been studied, and a measurement chip in which the filter paper is put in a plastic channel has been announced (see Non-Patent Document 1).

J-E. Kim他, Anal. Chem., 2005, 77, 7901-7907J-E. Kim et al., Anal. Chem., 2005, 77, 7901-7907 Journal of Membrane,Science, 161(1-2), 31-40 (1999)Journal of Membrane, Science, 161 (1-2), 31-40 (1999)

低密度の膜の形成、生体系分子選択性材料の共有結合による固定化、および夾雑物の吸着の抑制を可能とし、さらに送液機能を有するバイオセンサのセンサ膜用の新規材料を提供することが本発明の課題である。また、当該新規材料を用いたバイオセンサを提供することが本発明の別の課題である。   To provide a novel material for a sensor membrane of a biosensor capable of forming a low-density membrane, immobilizing a biomolecule-selective material by covalent bonding, and suppressing the adsorption of impurities, and further having a liquid feeding function Is the subject of the present invention. Another object of the present invention is to provide a biosensor using the novel material.

本発明の第1の態様であるセルロース系材料は、生体材料の固定化に寄与する固定化官能基を有する長鎖状界面活性ポリマーと、セルロース誘導体とを含むことを特徴とする。ここで、固定化官能基がアミノ基であることが望ましい。また、セルロース誘導体はヒドロキシル基またはカルボキシル基を有することができる。さらに、長鎖状界面活性ポリマーが10万以上200万以下、より好ましくは50万以上100万以下の粘性平均分子量を有することが望ましい。   The cellulosic material according to the first aspect of the present invention includes a long-chain surfactant polymer having an immobilized functional group that contributes to immobilization of a biological material, and a cellulose derivative. Here, it is desirable that the immobilized functional group is an amino group. In addition, the cellulose derivative can have a hydroxyl group or a carboxyl group. Furthermore, it is desirable that the long-chain surface-active polymer has a viscosity average molecular weight of 100,000 to 2,000,000, more preferably 500,000 to 1,000,000.

本発明の第2の態様のバイオセンサ用チップは、基板と、第1の態様に記載のセルロース系材料を含む膜とを含むことを特徴とする。ここで、基板とセルロース系材料を含む膜との間に金属薄膜をさらに含んでもよい。   A biosensor chip according to a second aspect of the present invention includes a substrate and a film containing the cellulosic material according to the first aspect. Here, a metal thin film may be further included between the substrate and the film containing the cellulosic material.

固定化官能基をあらかじめ導入した長鎖状界面活性ポリマーをセルロース誘導体に混合することによって、安価なセルロース系材料に対して、抗体や酵素に代表される生体系分子選択性材料を共有結合によって固定化する機能、およびタンパク質などの夾雑物の吸着を抑制する機能を付与することができた。本発明のセルロース系材料は低密度の膜を形成することができ、かつ送液機能をも併せ持つために、バイオセンサ用のセンサ膜の材料として有用である。   By mixing a long-chain surface active polymer into which an immobilized functional group has been introduced in advance and a cellulose derivative, biomolecule-selective materials represented by antibodies and enzymes are immobilized by covalent bonds to inexpensive cellulosic materials. And a function of suppressing the adsorption of foreign substances such as proteins. The cellulosic material of the present invention is useful as a sensor membrane material for biosensors because it can form a low-density film and also has a liquid feeding function.

本発明のセルロース系材料を用いて作製したバイオセンサ用チップは、安価であり、生体系分子選択性材料を安定に固定化することができ、同時に夾雑物に起因するノイズの発生を抑制することができる。   The biosensor chip produced using the cellulose-based material of the present invention is inexpensive, can stably immobilize the biomolecule-selective material, and at the same time suppress the generation of noise due to contaminants. Can do.

本発明のセルロース系材料は、固定化官能基を有する長鎖状界面活性ポリマーと、官能基を有するセルロース誘導体とを含む。   The cellulosic material of the present invention contains a long-chain surface active polymer having an immobilized functional group and a cellulose derivative having a functional group.

本発明において用いることができる長鎖状界面活性ポリマーは、界面活性能を有するポリマーであり、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリプロピレングリコール、ポリブチレングリコールなどのポリアルキレングリコール類を含む。長鎖状界面活性ポリマーは、10万以上200万以下、好ましくは50万以上100万以下の粘性平均分子量を有する。10万以上の粘性平均分子量を有することによって、長鎖状界面活性ポリマーが洗浄によってセンサ膜から流出することを防止することができる。実際、粘性平均分子量2万のPEGとセルロース系材料との混合物から作製した膜において、洗浄を行った後に膜中に残存するPEGが約4%に過ぎないことが知られている(非特許文献2参照)。また、粘性平均分子量を100万以下とすることによって、セルロース系材料との混合の際に必要な溶解性(たとえば、アセトンなどに対する溶解性)を得ることができる。   The long-chain surface-active polymer that can be used in the present invention is a polymer having surface activity, and includes polyalkylene glycols such as polyethylene glycol (PEG), polypropylene glycol, and polybutylene glycol. The long-chain surface-active polymer has a viscosity average molecular weight of 100,000 to 2,000,000, preferably 500,000 to 1,000,000. By having a viscosity average molecular weight of 100,000 or more, it is possible to prevent the long-chain surface-active polymer from flowing out of the sensor film by washing. In fact, it is known that in a membrane made from a mixture of PEG having a viscosity average molecular weight of 20,000 and a cellulosic material, only about 4% of PEG remains in the membrane after washing (non-patent literature). 2). Moreover, the solubility (for example, solubility with respect to acetone etc.) required at the time of mixing with a cellulosic material can be obtained by making a viscosity average molecular weight into 1 million or less.

長鎖状界面活性ポリマーに導入することができる固定化官能基は、アミノ基、マレイミド基、スクシンイミジル基、ヨードアセトアミド基などを含み、好ましくはアミノ基である。ポリアルキレングリコール類を使用する場合、たとえば、ポリアルキレングリコール末端のヒドロキシル基をメタンスルホニル化あるいはトルエンスルホニル化などを用いて活性化し、続いて求核剤としてのアミン化合物を作用させることによって、アミノ基を導入することができる。あるいはまた、ポリアルキレングリコール類に対して固定化官能基を導入するための反応剤として、ヘキサメチレンジイソシアネート、N,N’−ポリメチレンビスヨードアセトアミド、N,N’−エチレンビスマレイミド、エチレングリコールビススクシニジルスクシネート、ビスジアソベンジジン、1−エチル−3−(3−ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド、スクシンイミジル3−(2−ピリジルチオプロピオネート)、N−スクシンイミジル4−(N−マレイミドメチル)シクロヘキサン−1−カルボキシレート、N−スルホスクシンイミジル4−(N−マレイミドメチル)シクロヘキサン−1−カルボキシレート、N−スクシンイミジル4−(N−ヨードアセチル)アミノベンゾエート、N−スクシンイミジル4−(1−マレイミドフェニル)ブチレート、イミノチオラン、S−アセチルメルカプトコハク酸無水物、メチル−3−(4−ジチオピリジル)プロピオンイミデート、メチル−4−メルカプトブチリルイミデート、メチル−3−メルカプトプロピオンイミデート、N−スクシンイミジル−S−アセチルメルカプトアセテートなどを用いることができる。   The immobilized functional group that can be introduced into the long-chain surface active polymer includes an amino group, a maleimide group, a succinimidyl group, an iodoacetamide group, and the like, and is preferably an amino group. When polyalkylene glycols are used, for example, the hydroxyl group at the end of polyalkylene glycol is activated using methanesulfonylation or toluenesulfonylation, followed by the action of an amine compound as a nucleophile, thereby causing an amino group. Can be introduced. Alternatively, as a reactive agent for introducing an immobilized functional group to polyalkylene glycols, hexamethylene diisocyanate, N, N′-polymethylene bisiodoacetamide, N, N′-ethylene bismaleimide, ethylene glycol bis Succinidyl succinate, bisdiasobenzidine, 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide, succinimidyl 3- (2-pyridylthiopropionate), N-succinimidyl 4- (N-maleimidomethyl) Cyclohexane-1-carboxylate, N-sulfosuccinimidyl 4- (N-maleimidomethyl) cyclohexane-1-carboxylate, N-succinimidyl 4- (N-iodoacetyl) aminobenzoate, N-succinimidyl 4- (1 -Ma Imidophenyl) butyrate, iminothiolane, S-acetylmercaptosuccinic anhydride, methyl-3- (4-dithiopyridyl) propionimidate, methyl-4-mercaptobutyrylimidate, methyl-3-mercaptopropionimidate, N -Succinimidyl-S-acetylmercaptoacetate can be used.

本発明のセルロース系材料において用いることができるセルロース誘導体は、疎水性部分と親水性部分とを併せ持つ材料であり、セルロース;セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、ニトロセルロースなどのセルロースエステル類;およびメチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロースなどのセルロースエーテル類を含む。用いることができるセルロースエステル類およびセルロースエーテル類は、一部のヒドロキシル基のみがエステル化またはエーテル化され、官能基としてのヒドロキシル基を依然として有するものであってもよい。   The cellulose derivative that can be used in the cellulosic material of the present invention is a material having both a hydrophobic portion and a hydrophilic portion, cellulose; cellulose esters such as cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, and nitrocellulose; and methylcellulose, Cellulose ethers such as ethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose and carboxymethyl cellulose are included. Cellulose esters and cellulose ethers that can be used may be those in which only some hydroxyl groups are esterified or etherified and still have hydroxyl groups as functional groups.

固体状のセルロース誘導体と、固定化官能基を有する長鎖状界面活性ポリマーとを、有機溶媒中で粉砕・混合・溶解させることによって、セルロース系材料の溶液を得ることができる。本発明においては、セルロース誘導体100重量部に対して、固定化官能基を有する長鎖状界面活性ポリマー0.5〜20重量部、好ましくは1〜3重量部を混合する。この工程によって、セルロース誘導体と長鎖状界面活性ポリマーとを分子レベルで複合化して、長鎖状界面活性ポリマーがセルロース誘導体と絡み合い、非特異的吸着を生じるサイトとなるセルロースの官能基を前述の固定化官能基がマスクするように作用する。加えて、膜を形成した際に、長鎖状界面活性ポリマーが、セルロース誘導体から脱離してセルロース系材料膜から流出ないし喪失しないようにすることができる。特に、官能基としてカルボキシル基を有するカルボキシメチルセルロースをセルロース誘導体として使用した場合、カルボキシル基と、長鎖状界面活性ポリマーに固定化官能基として導入されるアミノ基との間により強い相互作用が働き、セルロース誘導体と長鎖状界面活性ポリマーとの絡み合いが強くなると考えられる。   A cellulose-based material solution can be obtained by pulverizing, mixing, and dissolving a solid cellulose derivative and a long-chain surfactant polymer having an immobilized functional group in an organic solvent. In the present invention, 0.5 to 20 parts by weight, preferably 1 to 3 parts by weight of a long-chain surfactant polymer having an immobilized functional group is mixed with 100 parts by weight of the cellulose derivative. By this process, the cellulose derivative and the long-chain surface active polymer are complexed at the molecular level, and the long-chain surface active polymer is entangled with the cellulose derivative, and the cellulose functional group that becomes a site causing nonspecific adsorption is added to the above-described functional group. The immobilized functional group acts as a mask. In addition, when the film is formed, the long-chain surface-active polymer can be prevented from being detached from the cellulose derivative and flowing out or lost from the cellulose-based material film. In particular, when carboxymethyl cellulose having a carboxyl group as a functional group is used as a cellulose derivative, a stronger interaction works between the carboxyl group and an amino group introduced as an immobilized functional group into the long-chain surfactant polymer, It is considered that the entanglement between the cellulose derivative and the long-chain surface-active polymer becomes strong.

本発明のセルロース系材料は、抗体、酵素などの生体系分子選択性材料と共有結合することができる固定化官能基を有するため、生体系分子選択性材料を安定的に固定化することができる。このことによって、液体サンプルまたはバッファ溶液などの送液中に生体系分子選択性材料がセルロース系材料から流出することを防止することができる。また、セルロース系材料中の長鎖状界面活性ポリマーのマスキング効果によって、測定の対象物質と生体系分子選択性材料との反応を阻害する夾雑物(タンパク質など)が、セルロース誘導体の官能基の非特異的吸着によってセルロース系材料中に吸着されることを防止することができる。これらの相乗的作用によって、対象物質と生体系分子選択性材料との反応に基づく、対象物質の安定したバイオセンシングが可能となる。   Since the cellulosic material of the present invention has an immobilized functional group that can be covalently bonded to a biomolecule-selective material such as an antibody or an enzyme, the biomolecule-selective material can be stably immobilized. . Accordingly, it is possible to prevent the biomolecule-selective material from flowing out of the cellulosic material during liquid feeding such as a liquid sample or a buffer solution. In addition, due to the masking effect of the long-chain surface active polymer in the cellulosic material, impurities (proteins, etc.) that inhibit the reaction between the substance to be measured and the biomolecule-selective material are not functional groups of the cellulose derivative. It can be prevented from being adsorbed in the cellulosic material by specific adsorption. These synergistic actions enable stable biosensing of the target substance based on the reaction between the target substance and the biomolecule-selective material.

本発明のセルロース系材料を用いたバイオセンサ用チップの第1の構成例を図1に示す。図1(a)は上面図であり、図1(b)は切断線b−bで切断した断面図である。本構成のバイオセンサ用チップは、基板10と、基板10上に設けられた金属薄膜20と、金属薄膜20上に直接接触して設けられたセンサ膜30とを含む。本構成のバイオセンサ用チップは、特にSPR測定用のバイオセンサ用チップとして有用である。サンプルは、サンプル滴下点60においてセンサ膜に滴下され、毛細管現象によってサンプル流動方向へと流れていく。そして、測定領域70において、種々の光学的測定(特にSPR)が行われ、サンプル中に含まれる対象物質を測定する。   A first configuration example of a biosensor chip using the cellulose-based material of the present invention is shown in FIG. FIG. 1A is a top view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along a cutting line bb. The biosensor chip having this configuration includes a substrate 10, a metal thin film 20 provided on the substrate 10, and a sensor film 30 provided in direct contact with the metal thin film 20. The biosensor chip having this configuration is particularly useful as a biosensor chip for SPR measurement. The sample is dropped onto the sensor film at the sample dropping point 60 and flows in the sample flow direction by capillary action. In the measurement region 70, various optical measurements (especially SPR) are performed to measure the target substance contained in the sample.

基板10は、ガラス、プラスチック樹脂(アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などを含む)などの当該技術において知られている任意の材料を用いて形成することができる。基板10は、測定に用いる励起光(入射光)110および反射光の波長において透明であることが望ましい。   The substrate 10 can be formed using any material known in the art such as glass and plastic resin (including acrylic resin, polyester resin, silicone resin, polyimide resin, and the like). The substrate 10 is preferably transparent at the wavelengths of excitation light (incident light) 110 and reflected light used for measurement.

金属薄膜20は、金属表面に存在する表面プラズモンを励起させるための金属製の薄膜である。金属薄膜20は、金、銀、銅などの金属を用いて作製することができる。また、センサ膜30中のエバネッセント波と表面プラズモンとを効率よく結合させるため、40〜50nm程度の膜厚を有することが望ましい。金属薄膜20は、蒸着、スパッタ、イオンプレーティング、レーザーアブレーションなどの当該技術において知られている任意の方法を用いて形成することができる。金属薄膜20は、蛍光性基を有する生体系分子選択性材料を用いた蛍光分析を行うバイオセンサ用チップにおいては省略することが可能である。表面プラズモン共鳴(SPR)法に代表される全反射光学系を用いるバイオセンサ用チップにおいては、金属薄膜20が全反射面を提供する。   The metal thin film 20 is a metal thin film for exciting surface plasmons present on the metal surface. The metal thin film 20 can be produced using a metal such as gold, silver, or copper. Further, in order to efficiently combine the evanescent wave and the surface plasmon in the sensor film 30, it is desirable to have a film thickness of about 40 to 50 nm. The metal thin film 20 can be formed using any method known in the art such as vapor deposition, sputtering, ion plating, laser ablation. The metal thin film 20 can be omitted in a biosensor chip that performs fluorescence analysis using a biomolecule-selective material having a fluorescent group. In a biosensor chip using a total reflection optical system represented by the surface plasmon resonance (SPR) method, the metal thin film 20 provides a total reflection surface.

センサ膜30は、本発明のセルロース材料を含み、生体系分子選択性材料を固定化する機能、およびサンプルの流路としての機能を有する膜である。センサ膜30は種々の形状を有することができるが、好ましくは矩形状の形状を有する。センサ膜30は、本発明のセルロース材料の溶液または分散液を金属薄膜20上に塗布し、次いで溶媒を蒸発させることによって形成することができる。塗布に用いる溶液または分散液を形成するための溶媒としては、アセトン、エタノール、イソプロパノールなどを用いることができ、好ましくはアセトンと、エタノールまたはイソプロパノールとの混合溶媒を用いることが好ましい。塗布の方法としては、当該技術において知られている任意の方法を使用することができるが、好ましくはスピンコート法を用いることができる。また、蒸発による溶媒の除去については、室温の温度条件、および大気圧の圧力条件下で実施してもよい。センサ膜30は数百nmから1μm以上に至る細孔を有する。細孔の大きさは、セルロース誘導体を含む塗布溶液の配合比率などを変化させることにより制御することが可能である。   The sensor film 30 is a film that includes the cellulose material of the present invention and has a function of immobilizing a biomolecule-selective material and a function as a sample channel. The sensor film 30 can have various shapes, but preferably has a rectangular shape. The sensor film 30 can be formed by applying a solution or dispersion of the cellulose material of the present invention on the metal thin film 20 and then evaporating the solvent. As a solvent for forming a solution or dispersion used for coating, acetone, ethanol, isopropanol or the like can be used, and it is preferable to use a mixed solvent of acetone and ethanol or isopropanol. As a coating method, any method known in the art can be used, but a spin coating method can be preferably used. Further, the removal of the solvent by evaporation may be performed under a temperature condition at room temperature and a pressure condition at atmospheric pressure. The sensor film 30 has pores ranging from several hundred nm to 1 μm or more. The size of the pores can be controlled by changing the blending ratio of the coating solution containing the cellulose derivative.

センサ膜30の形成前に金属薄膜20の上に両面シール部材またはレジスト(不図示)を配設して、センサ膜30の形成位置および形状を画定してもよい。シール部材40を形成するための材料としては、パターニング可能な材料を用いることができ、そのような材料は、たとえばSiO、Al、Si、AlNなどの無機酸化物あるいは窒化物、金属、半導体などを含む。レジストは、フォトレジストなどの高分子材料であってもよい。両面シール部材およびレジストの形成は、当該技術において知られている任意の方法を用いて実施することができる。好ましくは、両面シール部材またはレジストを配設し、センサ膜の形成を行い、次いで両面シール部材またはレジストならびにその上に形成されたセンサ膜を除去して、形成位置および形状が画定されたセンサ膜30を得ることができる。 Before the sensor film 30 is formed, a double-sided seal member or a resist (not shown) may be disposed on the metal thin film 20 to define the formation position and shape of the sensor film 30. As a material for forming the seal member 40, a material that can be patterned can be used. Examples of such a material include inorganic oxides such as SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , and AlN, or nitriding. Products, metals, semiconductors, etc. The resist may be a polymer material such as a photoresist. The double-sided seal member and the resist can be formed using any method known in the art. Preferably, a double-sided sealing member or a resist is provided to form a sensor film, and then the double-sided sealing member or the resist and the sensor film formed thereon are removed to define the formation position and shape. 30 can be obtained.

本発明のバイオセンサ用チップは、複数の独立したセンサ膜30を有してもよい。図1(a)には、3つの独立したセンサ膜30を設けた構成例を示した。複数の独立したセンサ膜30のそれぞれに対して、異なる種類の生体系分子選択性材料を固定化することによって、1つのバイオセンサ用チップを用いて、複数種の対象物質の測定を行うことが可能となる。   The biosensor chip of the present invention may have a plurality of independent sensor films 30. FIG. 1A shows a configuration example in which three independent sensor films 30 are provided. By immobilizing different types of biological system molecule-selective materials for each of a plurality of independent sensor membranes 30, a plurality of types of target substances can be measured using one biosensor chip. It becomes possible.

センサ膜30の測定領域70に位置する部分において、生体系分子選択性材料の固定化を行う。最初に、センサ膜30に対して、活性化剤を滴下し、センサ膜30中の固定化官能基を活性化する。固定化官能基がアミノ基である場合、活性化剤としてグルタルアルデヒド水溶液などを用いることができる。次いで、生体系分子選択性材料の溶液を滴下し、固定化に充分な時間にわたって静置する。最後に、水を用いて洗浄を行い、固定化されなかった余剰の生体系分子選択性材料を除去する。この方法によって固定化された生体系分子選択性材料は、共有結合によって長鎖状界面活性ポリマーに結合されているので、サンプルないしバッファ溶液などによって測定領域70のセンサ膜30から流出することがない。   In the part located in the measurement region 70 of the sensor membrane 30, the biological system molecule selective material is immobilized. First, an activator is dropped on the sensor film 30 to activate the immobilized functional group in the sensor film 30. When the immobilized functional group is an amino group, an aqueous glutaraldehyde solution or the like can be used as an activator. Next, a solution of the biomolecule-selective material is dropped and allowed to stand for a time sufficient for immobilization. Finally, washing is performed using water to remove excess biomolecule-selective material that has not been immobilized. Since the biomolecule-selective material immobilized by this method is bonded to the long-chain surface active polymer by a covalent bond, it does not flow out from the sensor membrane 30 in the measurement region 70 by a sample or a buffer solution. .

本発明のバイオセンサ用チップの第2の構成例を図2に示す。図2(a)は上面図であり、図2(b)は切断線b−bで切断した断面図である。本構成のバイオセンサ用チップは、サンプル滴下点60を含む領域の油脂除去膜40と、測定領域70を含む領域のセンサ膜30とが、流体連絡の状態で連結されている点を除いて、図1に示したバイオセンサ用チップと同様の構成を有する。本構成のバイオセンサ用チップもまた、特にSPR測定用のバイオセンサ用チップとして有用である。   A second configuration example of the biosensor chip of the present invention is shown in FIG. 2A is a top view, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the cutting line bb. The biosensor chip of this configuration is configured such that the oil removal film 40 in the region including the sample dropping point 60 and the sensor film 30 in the region including the measurement region 70 are connected in fluid communication with each other. It has the same configuration as the biosensor chip shown in FIG. The biosensor chip having this configuration is also particularly useful as a biosensor chip for SPR measurement.

食品関係の産業においては、油脂分を多く含むサンプル中の物質の特定、たとえば牛乳中の毒素や抗原の特定が求められる場合がある。タンパク質に由来する夾雑物と同様に、油脂分もバイオセンシングを妨害する恐れがあるので、サンプル中から排除することが好ましい。   In food-related industries, identification of substances in samples containing a large amount of fats and oils, for example, identification of toxins and antigens in milk may be required. As with contaminants derived from proteins, fats and oils may also interfere with biosensing, and therefore are preferably excluded from the sample.

本構成のバイオセンサ用チップにおいては、サンプル滴下点60から測定領域70の手前までに至る領域を油脂除去膜40で構成している。油脂除去膜40を形成する材料は、測定対象となるタンパク質からなる測定対象物質を吸着しないこと、および適切な親水性を有してサンプルの流動を確実にすることに加えて、親油性を有して油脂分を有効に吸着できることが求められる。たとえば、親水性と疎水性とを併せ持つセルロース誘導体に対して、長鎖状界面活性ポリマーを複合化することによって親油性を付与した材料を使用して、油脂除去膜40を形成することができる。用いることができるセルロース誘導体および長鎖状界面活性ポリマーは、長鎖状界面活性ポリマーが生体系分子選択性材料を固定化するための固定化官能基を有さなくてもよいという点を除いて、前述と同様の材料を用いることができる。また、この目的においては、セルロース誘導体100重量部に対して、長鎖状界面活性ポリマー0.5〜20重量部、好ましくは1〜3重量部を混合することが望ましい。   In the biosensor chip of this configuration, the region extending from the sample dropping point 60 to the front of the measurement region 70 is constituted by the oil removal film 40. The material for forming the oil removal film 40 has lipophilicity in addition to not adsorbing the substance to be measured consisting of the protein to be measured and having appropriate hydrophilicity to ensure the flow of the sample. Therefore, it is required that oil and fat can be effectively adsorbed. For example, the oil / fat removing film 40 can be formed using a material that has been made lipophilic by conjugating a long-chain surface-active polymer to a cellulose derivative having both hydrophilicity and hydrophobicity. Cellulose derivatives and long-chain surface-active polymers that can be used except that the long-chain surface-active polymer does not have to have an immobilizing functional group for immobilizing a biomolecule-selective material. The same material as described above can be used. For this purpose, it is desirable to mix 0.5 to 20 parts by weight, preferably 1 to 3 parts by weight of the long-chain surfactant polymer with respect to 100 parts by weight of the cellulose derivative.

本構成のバイオセンサ用チップは、金属薄膜20の形成後、センサ膜30および油脂除去膜40のそれぞれに対して両面シール部材またはレジストを用いるパターニングを実施することによって作製することができる。センサ膜30と油脂除去膜40との流体連絡を確実にするために、センサ膜30と油脂除去膜40とが重なる部分を有してもよい。   The biosensor chip having this configuration can be manufactured by performing patterning using a double-sided seal member or a resist on each of the sensor film 30 and the oil removing film 40 after the metal thin film 20 is formed. In order to ensure fluid communication between the sensor film 30 and the oil removal film 40, a portion where the sensor film 30 and the oil removal film 40 overlap may be provided.

本構成のバイオセンサ用チップを用いれば、サンプル滴下点60に滴下されたサンプルは、油脂除去膜40内を移動する間に含有する油脂分が除去され、油脂分を含まないサンプルがセンサ膜30に供給される。そして、センサ膜30においては、測定の対象物質と生体系分子選択性材料との反応を阻害する夾雑物が、セルロース誘導体の官能基の非特異的吸着によってセルロース系材料中に吸着されることを防止して、対象物質の高感度での測定が可能となる。したがって、本構成のバイオセンサ用チップを用いた場合、油脂分を除去するために別途の工程を行う必要性を排除し、低コスト化が可能になると同時に、当該工程においてサンプルが変質する可能性も排除することができ、対象物質の信頼性の高い測定が可能となる。   If the biosensor chip of this configuration is used, the sample dropped at the sample dropping point 60 is freed of oil and fat contained during movement in the oil and fat removal film 40, and the sample not containing fat and oil is removed from the sensor film 30. To be supplied. And in the sensor film | membrane 30, the contaminant which inhibits reaction with the measuring object substance and bio-system molecule selective material adsorb | sucks in a cellulose-type material by the nonspecific adsorption | suction of the functional group of a cellulose derivative. This makes it possible to measure the target substance with high sensitivity. Therefore, when the biosensor chip of this configuration is used, it is possible to reduce the cost by eliminating the necessity of performing a separate process for removing oil and fat, and at the same time, the sample may be altered in the process. Therefore, it is possible to measure the target substance with high reliability.

[実施例1]
粘性平均分子量10万の長鎖PEGを、0.2mol・L−1のトシルクロリドのピリジン溶液に添加し、室温において15分間にわたって撹拌した。続いて、トリオキサトリデカンジアミンを添加して、室温においてさらに15分間にわたって撹拌した。反応混合物に対して300Wのマイクロウェーブを照射した後に、溶媒交換を行い、アミノ基導入PEGのエタノール溶液(固形分5%)を調製した。
[Example 1]
A long-chain PEG having a viscosity average molecular weight of 100,000 was added to 0.2 mol·L −1 of tosyl chloride in pyridine and stirred at room temperature for 15 minutes. Subsequently, trioxatridecanediamine was added and stirred at room temperature for an additional 15 minutes. After irradiating the reaction mixture with 300 W microwave, solvent exchange was performed to prepare an ethanol solution of amino group-introduced PEG (solid content 5%).

粉末状のセルロースアセテート2gに、実施例1で調製したアミノ基導入PEGのエタノール溶液1.2gを加え、アセトンを加えながらすり潰すことによって、スラリーを形成した。続いて、アセトンで希釈して、セルロースアセテート・アミノ基導入PEGの複合体溶液を調製した。   A slurry was formed by adding 1.2 g of an amino group-introduced PEG ethanol solution prepared in Example 1 to 2 g of powdered cellulose acetate and grinding with adding acetone. Subsequently, it was diluted with acetone to prepare a complex solution of cellulose acetate / amino group-introduced PEG.

[実施例2]
BK7ガラス基板10(16mm×16mm×1mm)の上に、真空蒸着法を用いて膜厚50nmの金薄膜20を精製した。次いで、両面シール部材(デュラマウントPTT25(株式会社きもと製))により、センサ膜30を形成する部分(幅1mm×長さ10mmの長方形形状、3箇所)を除いて金薄膜表面を被覆した。次いで、実施例1のセルロースアセテート・アミノ基導入PEGの複合体溶液をスピンコート法によって塗布し、乾燥させた。そして、両面シール部材およびその上に形成されたセルロース系材料膜を剥離除去して、図1の構成を有するバイオセンサ用チップを得た。
[Example 2]
On the BK7 glass substrate 10 (16 mm × 16 mm × 1 mm), a gold thin film 20 having a film thickness of 50 nm was purified using a vacuum deposition method. Next, the surface of the thin gold film was covered with a double-sided seal member (Duramount PTT25 (manufactured by Kimoto Co., Ltd.)) except for portions (rectangular shape of width 1 mm × length 10 mm, 3 locations) where the sensor film 30 was formed. Next, the cellulose acetate / amino group-introduced PEG complex solution of Example 1 was applied by spin coating and dried. Then, the double-sided sealing member and the cellulose-based material film formed thereon were peeled and removed to obtain a biosensor chip having the configuration of FIG.

得られたセルロース系材料(セルロースアセテート・アミノ基導入PEGの複合体)膜の走査電子顕微鏡(SEM)写真を図3に示す。得られたセルロース系材料膜は、数百nmから1μm以上の径の細孔を有する多孔質膜であった。   A scanning electron microscope (SEM) photograph of the obtained cellulose material (complex of cellulose acetate / amino group-introduced PEG) film is shown in FIG. The obtained cellulose-based material film was a porous film having pores having a diameter of several hundred nm to 1 μm or more.

得られたセルロース系材料膜を、一晩の間、水中に浸漬し、再びSEMにより観察した。その結果、観察の前後において膜の構造に変化は見られなかった。このことから、本発明のセルロース系材料膜において、構造の変化を伴うようなアミノ基導入PEGの流出が発生していないことが分かる。   The obtained cellulose-based material film was immersed in water for one night, and observed again by SEM. As a result, there was no change in the film structure before and after the observation. From this, it can be seen that in the cellulose-based material film of the present invention, the outflow of the amino group-introduced PEG accompanying the change in structure does not occur.

[実施例3]
実施例2で作製したバイオセンサ用チップの観測領域70内のセンサ膜に、グルタルアルデヒド水溶液を滴下し、1分間静置の後に純水で洗浄した。次に、蛍光物質で標識した抗体を含む溶液を滴下し、30分間静置の後に表面を純水で洗浄した。
[Example 3]
An aqueous glutaraldehyde solution was dropped onto the sensor film in the observation region 70 of the biosensor chip produced in Example 2, and the plate was allowed to stand for 1 minute and then washed with pure water. Next, a solution containing an antibody labeled with a fluorescent substance was dropped, and after standing for 30 minutes, the surface was washed with pure water.

処理後のバイオセンサ用チップの観測領域70内のセンサ膜30を蛍光顕微鏡で観察したところ、蛍光を観測できた。このことから、蛍光標識された抗体がセンサ膜30中に固定化されていることが確認された。   When the sensor film 30 in the observation region 70 of the treated biosensor chip was observed with a fluorescence microscope, fluorescence could be observed. From this, it was confirmed that the fluorescently labeled antibody was immobilized in the sensor film 30.

さらに2時間にわたって純水で洗浄し、再び蛍光顕微鏡による観察を行ったところ、前述と同様に蛍光を観測することができた。このことから、生体系分子選択性材料(蛍光標識された抗体)がアミノ基導入PEGに対して共有結合によって固定され、かつそれら材料が純水洗浄によってセンサ膜30から流出することがないと判断された。以上のように、アミノ基導入した粘性平均分子量10万以上の長鎖PEGを複合化したことにより、抗体固定化機能を有するセルロース材料からなる複合膜を作製できる。   Further, it was washed with pure water for 2 hours and observed again with a fluorescence microscope. As a result, fluorescence could be observed in the same manner as described above. From this, it is determined that the biomolecule-selective material (fluorescently labeled antibody) is immobilized to the amino group-introduced PEG by a covalent bond and that these materials do not flow out of the sensor membrane 30 by washing with pure water. It was done. As described above, a composite membrane made of a cellulose material having an antibody immobilization function can be produced by conjugating a long-chain PEG having an amino group-introduced viscosity average molecular weight of 100,000 or more.

[実施例4]
夾雑物のモデルとしての牛血清アルブミンを含むバッファ溶液、および牛血清アルブミンを含まないバッファ溶液のそれぞれについて、実施例2で作製したバイオセンサ用チップを用いてSPR測定を行った。それぞれのバッファ溶液をサンプル滴下点60に滴下し、それら溶液がセンサ膜30内を移動して、充分に展開された後に測定領域70内のセンサ膜30においてSPR共鳴角度を測定した。その結果、240μg・mL−1の牛血清アルブミンを含むバッファ溶液を用いた場合に、牛血清アルブミンを含まないバッファ溶液に比較してSPR共鳴角度が16.4ミリ度(mdeg)シフトした。
[Example 4]
For each of the buffer solution containing bovine serum albumin as a contaminant model and the buffer solution not containing bovine serum albumin, SPR measurement was performed using the biosensor chip produced in Example 2. Each buffer solution was dropped on the sample dropping point 60, and the SPR resonance angle was measured on the sensor film 30 in the measurement region 70 after the solutions moved in the sensor film 30 and sufficiently developed. As a result, when a buffer solution containing 240 μg · mL −1 bovine serum albumin was used, the SPR resonance angle was shifted by 16.4 mm (mdeg) compared to a buffer solution containing no bovine serum albumin.

[比較例1]
セルロースアセテート・アミノ基導入PEGの複合体溶液に代えて、セルロースアセテート溶液を用いたことを除いて実施例2と同様にして、バイオセンサ用チップを作製した。
[Comparative Example 1]
A biosensor chip was produced in the same manner as in Example 2 except that a cellulose acetate solution was used instead of the cellulose acetate / amino group-introduced PEG complex solution.

得られたバイオセンサ用チップを用いて実施例4と同様のSPR測定を行った結果、240μg・mL−1の牛血清アルブミンを含むバッファ溶液を用いた場合に、牛血清アルブミンを含むバッファ溶液に比較してSPR共鳴角度が262.4ミリ度(mdeg)シフトした。 As a result of performing SPR measurement similar to Example 4 using the obtained biosensor chip, when a buffer solution containing 240 μg · mL −1 bovine serum albumin was used, a buffer solution containing bovine serum albumin was used. In comparison, the SPR resonance angle was shifted by 262.4 millimeters (mdeg).

SPR測定においては、SPR共鳴角度のシフト量は、金薄膜20表面に存在する物質(センサ膜30の材料を含む)の濃度変化に対応する。したがって、シフト量の増大は牛血清アルブミンがより多く吸着したことを示す。実施例4と比較例2を比較すると、実施例4のSPR共鳴角度シフト量は、比較例4の値よりも著しく小さく、アミノ基導入PEGの存在が牛血清アルブミンの吸着を効果的に抑制したことが分かる。   In the SPR measurement, the shift amount of the SPR resonance angle corresponds to the concentration change of the substance (including the material of the sensor film 30) existing on the surface of the gold thin film 20. Thus, an increase in shift indicates that more bovine serum albumin has been adsorbed. Comparing Example 4 and Comparative Example 2, the SPR resonance angle shift amount of Example 4 was significantly smaller than the value of Comparative Example 4, and the presence of amino group-introduced PEG effectively suppressed the adsorption of bovine serum albumin. I understand that.

[実施例5]
粉末状のセルロースアセテート2gを、粘性平均分子量10万の長鎖PEGのエタノール溶液1.2g(固形分5%)を加え、アセトンを加えながらすり潰すことによって、スラリーを形成した。続いて、アセトンで希釈して、セルロースアセテート・長鎖PEGの複合体溶液を調製した。
[Example 5]
A slurry was formed by adding 1.2 g of ethanol solution of long-chain PEG having a viscosity average molecular weight of 100,000 (solid content 5%) to 2 g of powdered cellulose acetate and grinding with adding acetone. Subsequently, it was diluted with acetone to prepare a complex solution of cellulose acetate and long chain PEG.

続いて、セルロースアセテート・アミノ基導入PEGの複合体溶液に代えて、上記で調製したセルロースアセテート・長鎖PEGの複合体溶液を用いて、実施例2と同様に図1の構成を有するバイオセンサ用チップを作製した。   Subsequently, in place of the cellulose acetate / amino group-introduced PEG complex solution, the biosensor having the structure of FIG. 1 was used in the same manner as in Example 2 using the cellulose acetate / long chain PEG complex solution prepared above. A chip was prepared.

得られたバイオセンサ用チップのサンプル滴下点60に、油脂分を多く含む材料としての牛乳およびバッファ溶液を滴下し、SPR測定を行った。その結果、牛乳を用いた場合に、バッファ溶液に比較してSPR共鳴角度が約3.28度シフトした。   Milk and a buffer solution as materials containing a large amount of oil and fat were dropped on the sample dropping point 60 of the obtained biosensor chip, and SPR measurement was performed. As a result, when milk was used, the SPR resonance angle was shifted by about 3.28 degrees compared to the buffer solution.

[比較例2]
比較例1で作製したバイオセンサ用チップのサンプル滴下点60に牛乳およびバッファ溶液を滴下し、SPR測定を行った。その結果、牛乳を用いた場合に、バッファ溶液に比較してSPR共鳴角度が約1.476度(約半分)シフトした。
[Comparative Example 2]
Milk and a buffer solution were dropped at the sample dropping point 60 of the biosensor chip produced in Comparative Example 1, and SPR measurement was performed. As a result, when milk was used, the SPR resonance angle was shifted by about 1.476 degrees (about half) compared to the buffer solution.

以上の結果から、実施例5が比較例2に比較して約2倍の共鳴角度シフトを示したことから、セルロースアセテート・長鎖PEGの複合体膜が、牛乳中に含まれる油脂分をより多く吸着したことが分かる。したがって、セルロースアセテート・長鎖PEGの複合体膜が、サンプル溶液中から油脂分を取り除く機能を有することが分かった。したがって、図2に示すように生体系分子選択材料を固定化する固定化官能基導入長鎖状界面活性ポリマー・セルロースアセテート複合体のセンサ膜30の前段に、長鎖状界面活性ポリマー・セルロースアセテート複合体の油脂除去膜40を形成することで、膜内をサンプル溶液が流れる間に油分に代表される成分を吸着除去する機能を持つバイオセンサ用チップが作製できる。このチップのサンプル滴下点に牛乳を滴下し、牛乳が膜中を移動して測定領域に到達した際のSPR共鳴角度は、前段にセルロースアセテート・長鎖PEGの複合体を形成していないバイオセンサ用チップを用いて牛乳を測定した場合に比較して1.804度低い角度であった。   From the above results, Example 5 showed a resonance angle shift of about twice that of Comparative Example 2, so that the cellulose acetate / long-chain PEG complex membrane further reduced the fat and oil contained in the milk. It can be seen that many adsorbed. Therefore, it was found that the cellulose acetate / long-chain PEG composite film had a function of removing fats and oils from the sample solution. Therefore, as shown in FIG. 2, the long-chain surface active polymer / cellulose acetate is placed upstream of the sensor membrane 30 of the immobilized functional group-introduced long-chain surface active polymer / cellulose acetate complex for immobilizing the biomolecule selection material. By forming the composite oil removal film 40, a biosensor chip having a function of adsorbing and removing components typified by oil while the sample solution flows through the film can be produced. The SPR resonance angle when milk is dropped at the sample dropping point of this chip and the milk moves through the membrane and reaches the measurement region, the biosensor in which the cellulose acetate / long chain PEG complex is not formed in the previous stage The angle was 1.804 degrees lower than when milk was measured using an industrial chip.

本発明のバイオセンサ用チップの第1の構成例を示す図であり、(a)は上面図であり、(b)は切断線b−bで切断した断面図である。It is a figure which shows the 1st structural example of the chip | tip for biosensors of this invention, (a) is a top view, (b) is sectional drawing cut | disconnected by the cutting line bb. 本発明のバイオセンサ用チップの第2の構成例を示す図であり、(a)は上面図であり、(b)は切断線b−bで切断した断面図である。It is a figure which shows the 2nd structural example of the chip | tip for biosensors of this invention, (a) is a top view, (b) is sectional drawing cut | disconnected by the cutting line bb. 長鎖PEG・セルロースアセテート複合膜の走査電子顕微鏡写真である。2 is a scanning electron micrograph of a long-chain PEG / cellulose acetate composite membrane.

符号の説明Explanation of symbols

10 基板
20 金属薄膜
30 センサ膜
40 油脂除去膜
60 サンプル滴下点
70 測定領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate 20 Metal thin film 30 Sensor film 40 Oil removal film 60 Sample dropping point 70 Measurement area

Claims (9)

生体材料の固定化に寄与する固定化官能基を有する長鎖状界面活性ポリマーと、セルロース誘導体とを含むセルロース系材料膜において、
細孔を有することを特徴とするセルロース系材料
In a cellulose-based material film comprising a long-chain surface-active polymer having an immobilized functional group that contributes to immobilization of a biomaterial, and a cellulose derivative ,
A cellulose-based material film characterized by having pores .
前記固定化官能基がアミノ基であることを特徴とする請求項1に記載のセルロース系材料The cellulose-based material film according to claim 1, wherein the immobilized functional group is an amino group. 前記セルロース誘導体がヒドロキシル基を有することを特徴とする請求項1または2に記載のセルロース系材料The cellulose-based material film according to claim 1, wherein the cellulose derivative has a hydroxyl group. 前記セルロース誘導体がカルボキシル基を有することを特徴とする請求項1または2に記載のセルロース系材料The cellulose-based material film according to claim 1, wherein the cellulose derivative has a carboxyl group. 前記長鎖状界面活性ポリマーが10万以上200万以下の粘性平均分子量を有することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のセルロース系材料The cellulose-based material film according to any one of claims 1 to 4, wherein the long-chain surface-active polymer has a viscosity average molecular weight of 100,000 to 2,000,000. 前記長鎖状界面活性ポリマーが50万以上100万以下の粘性平均分子量を有することを特徴とする請求項5に記載のセルロース系材料The cellulose-based material film according to claim 5, wherein the long-chain surface-active polymer has a viscosity average molecular weight of 500,000 to 1,000,000. 基板と、請求項1から6のいずれかに記載のセルロース系材料とを含むことを特徴とするバイオセンサ用チップ。 A biosensor chip comprising a substrate and the cellulose-based material film according to claim 1. 前記基板と前記セルロース系材料膜との間に金属薄膜をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載のバイオセンサ用チップ。 The biosensor chip according to claim 7, further comprising a metal thin film between the substrate and the cellulosic material film . セルロース誘導体と長鎖状界面活性ポリマーとを、有機溶媒中で粉砕、混合または溶解させ、塗布液を形成する工程と、A step of pulverizing, mixing or dissolving the cellulose derivative and the long-chain surface-active polymer in an organic solvent to form a coating solution;
塗布液を塗布して、塗膜を形成する工程と、Applying a coating solution to form a coating film;
塗膜から溶媒を蒸発させて、細孔を有するセルロース系材料膜を形成する工程とForming a cellulosic material film having pores by evaporating the solvent from the coating film;
を含むことを特徴とするセルロース系材料膜の製造方法。A method for producing a cellulose-based material film, comprising:
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