JP4900690B2 - Biosensor composition and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、生体セラミックスの生体内反応解析を迅速に行うことのできる等の特徴のある、新しいバイオセンサー構成体とその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a new biosensor component having a feature such as rapid analysis of in vivo reaction of bioceramics and a method for producing the same.

生体セラミックスコーティングの既存の方法としては、レーザーアブレーション法やスパッタリング法等が挙げられる(特許文献1)。このような従来法は、つきまわり性の悪さから、複雑な材料への均一な薄膜の形成やバイオセンサー基板への均一なナノ薄膜の形成が困難であった。一方、電気泳動堆積法は、生体セラミックス結晶を複雑な形状のものでも均一にコーティングすることが可能であったが、10μm以上の厚い膜であるため、クラックの発生や基板からの剥離という問題を抱えていた(非特許文献1)。
特開2005−283550号公報 Journal of Materials Science 16, 319−324(2005)
Examples of existing methods for bioceramic coating include laser ablation and sputtering (Patent Document 1). According to such a conventional method, it is difficult to form a uniform thin film on a complex material or a uniform nano thin film on a biosensor substrate because of poor throwing power. On the other hand, the electrophoretic deposition method was able to uniformly coat bioceramic crystals even in complex shapes, but because it is a thick film of 10 μm or more, there is a problem of generation of cracks and peeling from the substrate. (Non-Patent Document 1).
JP 2005-283550 A Journal of Materials Science 16, 319-324 (2005)

本発明は以上のとおりの背景から、従来の問題点を解消、生体セラミックス結晶を電気泳動堆積法によって形成する方法の特徴を生かし、これを改善することで、クラックの発生や基板の剥離という不都合の発生を抑えることができる、薄膜のセラミック結晶膜を形成することを可能とし、生体内で生じる様々な反応の解析等に有用な、リン酸カルシウム化合物のバイオセンサー構成体と、その製造方法を提供することを課題としている。 The present invention is based on the background as described above, eliminates the conventional problems, takes advantage of the characteristics of the method of forming a bioceramic crystal by electrophoretic deposition, and improves it, thereby inconveniences such as generation of cracks and peeling of the substrate. Provided is a calcium phosphate compound biosensor composition capable of forming a thin ceramic crystal film capable of suppressing the occurrence of oxidization, and useful for analysis of various reactions occurring in vivo, and a method for producing the same. It is an issue.

本発明は、上記の課題を解決するものとして、以下のことを特徴としている。 The present invention is characterized by the following in order to solve the above problems.

第1:導電性基板上にリン酸カルシウム化合物のナノ結晶によるナノ薄膜が形成されており、前記ナノ結晶の大きさが200nm以下であり、前記ナノ薄膜の膜厚が50nm以下であることを特徴とするバイオセンサー構成体。
First: nanomembrane by nanocrystalline calcium phosphate compound on a conductive substrate is formed, the size of the nanocrystals is at 200nm or less, the thickness of the nano thin film and characterized der Rukoto below 50nm A biosensor construct.

第2:導電性基板が金またはチタンであることを特徴とする上記のバイオセンサー構成体。 Second: The biosensor composition described above, wherein the conductive substrate is gold or titanium.

第5:上記いずれかのバイオセンサーの製造方法であって、導電性基板上にリン酸カルシウム化合物の結晶を電気泳動堆積させた後、超音波照射して、リン酸カルシウム化合物のナノ結晶によるナノ薄膜を形成することを特徴とするバイオセンサー構成体の製造方法。

Fifth: the In the method of any one of the biosensor, after the crystals of the calcium phosphate compound is electrophoretic deposition on a conductive substrate, and ultrasonic irradiation, to form a nano thin film by nanocrystalline calcium phosphate compound A method for producing a biosensor composition, comprising:

上記のとおりの本発明によれば、生体セラミックスの生体内反応解析を迅速に行うため、バイオセンサーとして金属基板表面に生体セラミックスナノ結晶のナノ薄膜が提供される。特に電気泳動堆積法と超音波処理を組み合わせることで、水晶振動子(QCM)などの様々な表面反応解析に応用できるバイオセンサーの製造が可能となる。 According to the present invention as described above, in order to quickly perform in vivo reaction analysis of bioceramics, a nanothin film of bioceramic nanocrystals is provided on the surface of a metal substrate as a biosensor. In particular, by combining electrophoretic deposition and ultrasonic treatment, it is possible to manufacture a biosensor that can be applied to various surface reaction analyzes such as a quartz crystal (QCM).

本発明のバイオセンサー構成体によれば、水晶振動子(QCM)、表面プラズモン、エリプソメーターなどの分析に応用できる。生体内で生じる様々な反応の解析・環境保全・触媒材料の設計に利用できる。 According to the biosensor composition of the present invention, it can be applied to analysis of a crystal resonator (QCM), a surface plasmon, an ellipsometer, and the like. It can be used for analysis of various reactions occurring in the living body, environmental conservation, and catalyst material design.

本発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。 The present invention has the features as described above, and an embodiment thereof will be described below.

本発明では、従来技術の問題点を克服するために生体セラミックスナノ結晶を用い、電気泳動堆積法と超音波処理の組み合わせにより、100nm以下の厚さを持つ均一なナノ薄膜を有したバイオセンサーの作製に初めて成功した。従来技術では、このようなナノ薄膜・ナノ結晶で構成されるバイオセンサーの作製法・利用方法に関する報告はない。生体内に存在するセラミックスは、ナノ結晶が複雑に細胞外マトリックスと相互作用する形で存在する。そのため、従来技術で作製したセンサー材料は結晶が大きくなり、生体内の詳細な反応を検出・比較することが困難であった。本方法では、生体骨類似ナノ結晶を用いてナノ薄膜を作製し、生体内で生じる生体分子とナノ結晶との反応解析を可能とする。 In the present invention, in order to overcome the problems of the prior art, bioceramic nanocrystals are used, and a biosensor having a uniform nanothin film having a thickness of 100 nm or less is obtained by a combination of electrophoretic deposition and ultrasonic treatment. First successful production. In the prior art, there is no report about the production method and utilization method of such a biosensor composed of nano thin films and nano crystals. Ceramics present in a living body exist in a form in which nanocrystals interact with an extracellular matrix in a complex manner. Therefore, the sensor material produced by the conventional technique has a large crystal, and it is difficult to detect and compare detailed reactions in the living body. In this method, a nano thin film is produced using living bone-like nanocrystals, and reaction analysis between biomolecules generated in the living body and nanocrystals becomes possible.

本発明における「ナノ結晶」「ナノ薄膜」の用語については、そのサイズスケール(寸法)が100μm未満であって、いわゆるナノメートル(nm)の領域に属する技術概念として用いられている。本発明における「ナノ結晶」はより好適には、その大きさが通常の観測手段によって確認されるものとして200nm以下である。また「ナノ薄膜」は、好適には厚さが50nm以下である。そして、本発明におけるナノ結晶の薄膜とは、ナノスケールの結晶状態のリン酸カルシウム化合物が連続結合した状態で膜形成していることを意味している。 The terms “nanocrystal” and “nanothin film” in the present invention have a size scale (dimension) of less than 100 μm and are used as technical concepts belonging to a so-called nanometer (nm) region. The “nanocrystal” in the present invention is more preferably 200 nm or less as its size is confirmed by a normal observation means. The “nano thin film” preferably has a thickness of 50 nm or less. In the present invention, the nanocrystalline thin film means that the nanoscale crystalline calcium phosphate compound is formed in a continuously bonded state.

堆積されるナノ結晶はリン酸カルシウム化合物の結晶であるが、このものは、各種のものであってよく、たとえば代表的には水酸アパタイト(HA:Ca10(PO(OH))が例示される。この水酸アパタイトは生体親和性の高い生体材料として用いられているものである。 The deposited nanocrystal is a crystal of a calcium phosphate compound, which may be of various types, for example, typically hydroxyapatite (HA p : Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ). Is exemplified. This hydroxyapatite is used as a biomaterial with high biocompatibility.

本発明の製造方法における電気泳動堆積法や超音波照射の方法については公知の手段であって、所定のバイオセンサー構成体を製造するための条件が適宜に定められることになる。たとえば、水酸アパタイトを代表例として、電気泳動堆積においては、溶液、溶媒濃度等によっても相違するが、一般的には、1mVから200Vの電圧が、また溶媒が液体を保持できる温度において実施される。 The electrophoretic deposition method and the ultrasonic irradiation method in the production method of the present invention are known means, and conditions for producing a predetermined biosensor constituent are appropriately determined. For example, with hydroxyapatite as a representative example, electrophoretic deposition varies depending on the solution, solvent concentration, and the like, but is generally performed at a voltage of 1 mV to 200 V and at a temperature at which the solvent can hold a liquid. The

超音波の印加は、この堆積後に、たとえば周波数2万Hz以上のものとして処理することができる。もちろん、これらに限定されることはない。 Application of ultrasonic waves can be processed after this deposition, for example, at a frequency of 20,000 Hz or higher. Of course, it is not limited to these.

そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。 Therefore, an example will be shown below and will be described in more detail.

生体セラミックスの一種である水酸アパタイト薄膜を有したバイオセンサーの作製法の例を以下に示す。水酸アパタイトナノ結晶は、水酸化カルシウム(0.6mol/l)懸濁液にリン酸(0.5mol/l)を一定速度で滴下し、終点のpHを8.0に調節することで合成した。その際、合成温度条件を80℃に設定し、結晶性の良い水酸アパタイトナノ結晶を得た。図1に水酸アパタイトナノ結晶のX線回折パターンを示す。同定の結果から、水酸アパタイト単相であることを確認した。回折ピークがシャープであり非常に結晶性が良い。 An example of a method for producing a biosensor having a hydroxyapatite thin film which is a kind of bioceramics is shown below. Hydroxyapatite nanocrystals are synthesized by dropping phosphoric acid (0.5 mol / l) at a constant rate into a calcium hydroxide (0.6 mol / l) suspension and adjusting the end point pH to 8.0. did. At that time, the synthesis temperature condition was set to 80 ° C. to obtain a hydroxyapatite nanocrystal having good crystallinity. FIG. 1 shows an X-ray diffraction pattern of a hydroxyapatite nanocrystal. From the result of identification, it was confirmed to be a hydroxyapatite single phase. The diffraction peak is sharp and the crystallinity is very good.

次いで、得られた水酸アパタイト懸濁液をエタノールで完全に置換し、エタノールに対する水酸アパタイトの重量比を1%に調節した。その懸濁液を超音波処理により正の電荷を持った分散性の良い水酸アパタイト結晶の懸濁液を得た。これを用いて、図2に示した電気泳動堆積法により水酸アパタイト膜をQCM測定用の金基板上に成膜した。超音波処理により正の電荷を帯びた水酸アパタイトナノ結晶は、負電極側の金表面に引き寄せられ水酸アパタイト層を形成する。そして、水酸アパタイト膜作製後、エタノール中で超音波処理により基板表面の大部分の水酸アパタイト層を剥離させ、水酸アパタイトナノ薄膜を作製した。図3および表1に示す原子間力顕微鏡(AFM)観察の結果からコーティング条件(電圧、電着時間)を、表2に示す接触角測定から超音波処理時間の最適化を行った。図3では、電圧(10、50、100V)および電着時間(2、5、10分)を変化させ、水酸アパタイトナノ結晶をコーティングした金基板表面をAFMにより観察した結果を示している。水酸アパタイト結晶は、100Vの高電圧条件下で均一なコーティングの形成が観察できる。10Vでのコーティングでは、水酸アパタイト結晶がまばらに存在し、均一なコーティングの形成は観察できない。 Next, the obtained hydroxyapatite suspension was completely replaced with ethanol, and the weight ratio of hydroxyapatite to ethanol was adjusted to 1%. The suspension was subjected to ultrasonic treatment to obtain a suspension of hydroxyapatite crystals having a positive charge and good dispersibility. Using this, a hydroxyapatite film was formed on a gold substrate for QCM measurement by the electrophoretic deposition method shown in FIG. Hydroxyapatite nanocrystals charged with a positive charge by ultrasonic treatment are attracted to the gold surface on the negative electrode side to form a hydroxyapatite layer. Then, after preparing the hydroxyapatite film, most of the hydroxyapatite layer on the substrate surface was peeled off by ultrasonication in ethanol to prepare a hydroxyapatite nanothin film. From the results of atomic force microscope (AFM) observation shown in FIG. 3 and Table 1, the coating conditions (voltage, electrodeposition time) were optimized, and the ultrasonic treatment time was optimized from the contact angle measurement shown in Table 2. FIG. 3 shows the result of observing the surface of a gold substrate coated with hydroxyapatite nanocrystals by AFM while changing the voltage (10, 50, 100 V) and the electrodeposition time (2, 5, 10 minutes). Hydroxyapatite crystals can be observed to form a uniform coating under high voltage conditions of 100V. In the coating at 10 V, hydroxyapatite crystals are sparsely present and uniform coating formation cannot be observed.

また、表1では、電圧(10、50、100V)、電着時間(2、5、10分)を変化させ、水酸アパタイト結晶の存在率を百分率で表した。100Vでコーティングしたものは、電着時間にかかわらず高い被覆率を示した。 In Table 1, the voltage (10, 50, 100 V) and the electrodeposition time (2, 5, 10 minutes) were changed, and the abundance of hydroxyapatite crystals was expressed as a percentage. Those coated at 100V showed high coverage regardless of the electrodeposition time.

表2では、超音波処理時間に対する接触角測定の結果を表した。3分以上処理を続けた場合、接触角は増加し、金基板の接触角に近づく。これは、超音波処理に伴い、水酸アパタイト結晶が脱着したことを示している。 Table 2 shows the results of contact angle measurement with respect to sonication time. When the treatment is continued for 3 minutes or more, the contact angle increases and approaches the contact angle of the gold substrate. This indicates that the hydroxyapatite crystals were desorbed with the ultrasonic treatment.

そして、水酸アパタイト層の存在は、図4に示す高感度フーリエ変換赤外分光光度計により確認した。また、水酸アパタイト薄膜の膜厚は、AFMにより図5に示す水酸アパタイト層と金表面との高低差測定により得た。図4では、900−1200cm−1の位置にリン酸の吸収が観察される。これは、金表面における水酸アパタイト層の存在を示している。 The presence of the hydroxyapatite layer was confirmed by a high sensitivity Fourier transform infrared spectrophotometer shown in FIG. The thickness of the hydroxyapatite thin film was obtained by measuring the height difference between the hydroxyapatite layer and the gold surface shown in FIG. In FIG. 4, absorption of phosphoric acid is observed at a position of 900 to 1200 cm −1. This indicates the presence of a hydroxyapatite layer on the gold surface.

図5において、最適な条件で作製された水酸アパタイト薄膜の膜厚は、金基板上に水酸アパタイトパターンを作製し、AFMにより水酸アパタイト層と金表面との高低差測定により得た。 In FIG. 5, the thickness of the hydroxyapatite thin film prepared under the optimum conditions was obtained by preparing a hydroxyapatite pattern on a gold substrate and measuring the height difference between the hydroxyapatite layer and the gold surface by AFM.

AFM像は、パターニング処理を施した金センサー表面での水酸アパタイトコーティングの結果を示している。 The AFM image shows the result of the hydroxyapatite coating on the surface of the gold sensor subjected to the patterning process.

断面解析の結果、水酸アパタイト層の厚さが15−20nmであることがわかる。 As a result of the cross-sectional analysis, it can be seen that the thickness of the hydroxyapatite layer is 15-20 nm.

実施例1の水酸アパタイトナノ結晶合成の際、合成温度条件を4℃および21℃に設定することでより結晶サイズの小さい結晶を合成した。図6(追加図;図番号の変更)にXRD測定の結果を示す。低温で合成した結晶は明らかに回折腺がブロードであり、結晶の大きさが小さいことが明らかであった。
得られた結晶を実施例1と同様の作製法により水酸アパタイトナノ薄膜を有したバイオセンサー作製した。図7に4℃および21℃で合成された結晶を用いて作製した基板表面のAFM像を示す。
In the synthesis of the hydroxyapatite nanocrystal of Example 1, crystals having a smaller crystal size were synthesized by setting the synthesis temperature conditions to 4 ° C. and 21 ° C. FIG. 6 (additional figure; change in figure number) shows the results of XRD measurement. Crystals synthesized at low temperature clearly have broad diffraction lines and small crystal size.
A biosensor having a hydroxyapatite nano thin film was produced from the obtained crystal by the same production method as in Example 1. FIG. 7 shows an AFM image of the substrate surface produced using crystals synthesized at 4 ° C. and 21 ° C.

実施例1および2で作製された水酸アパタイトナノ薄膜の膜厚をエリプソメーターで測定した。表3に測定結果を示す。いずれの結晶で作製された薄膜層の膜厚も10〜20nmを示し、ナノ薄膜層であることを確認した。 The thickness of the hydroxyapatite nano thin film prepared in Examples 1 and 2 was measured with an ellipsometer. Table 3 shows the measurement results. The film thickness of the thin film layer produced by any crystal also showed 10-20 nm, and it was confirmed that it was a nano thin film layer.

図8に実施例1で作製した水酸アパタイト薄膜を有す金基板をバイオセンサーとして用いた場合のタンパク質吸着挙動を示す。22℃に保持した温度条件下で、基板表面を1mg/mlのヒト血清アルブミン溶液(pI4.7、MW69kDa、10mMのリン酸緩衝溶液)で満たした場合の振動数を測定した。アルブミン溶液浸漬後、振動数が急激に減少した。この曲線は、アルブミン分子の水酸アパタイト表面に対する吸着挙動を示しており、実施例1の水酸アパタイト薄膜を有す金基板が、タンパク質吸着挙動測定として利用できることが確認された。 FIG. 8 shows protein adsorption behavior when the gold substrate having a hydroxyapatite thin film prepared in Example 1 is used as a biosensor. The frequency when the substrate surface was filled with a 1 mg / ml human serum albumin solution (pI 4.7, MW 69 kDa, 10 mM phosphate buffer solution) under the temperature condition maintained at 22 ° C. was measured. After immersion in the albumin solution, the frequency decreased rapidly. This curve shows the adsorption behavior of albumin molecules on the hydroxyapatite surface, and it was confirmed that the gold substrate having the hydroxyapatite thin film of Example 1 can be used as a protein adsorption behavior measurement.

図9に実施例1で作製した水酸アパタイト薄膜を有す金基板をバイオセンサーとして用いた場合のイオン強度変化に対するタンパク質の吸着挙動を示す。22℃に保持した温度条件下で、基板表面を濃度の異なるリン酸緩衝液(10〜200mM)を用いて調整された1mg/mlのフィブリノーゲン溶液に浸漬させ、フィブリノーゲンの吸着に伴って発生する振動数の減少を測定した。その結果、リン酸イオンの増加と伴に水酸アパタイトに対するフィブリノーゲンの吸着量が減少していることがわかった。これは、水酸アパタイトのタンパク質吸着量がリン酸イオン濃度に依存していることを示している。
[比較例1]
FIG. 9 shows protein adsorption behavior with respect to changes in ionic strength when the gold substrate having a hydroxyapatite thin film prepared in Example 1 is used as a biosensor. Under the temperature condition maintained at 22 ° C., the substrate surface is immersed in a 1 mg / ml fibrinogen solution prepared using a phosphate buffer solution (10 to 200 mM) having different concentrations, and vibrations generated as fibrinogen adsorbs. The decrease in number was measured. As a result, it was found that the amount of fibrinogen adsorbed on hydroxyapatite decreased with the increase of phosphate ions. This shows that the protein adsorption amount of hydroxyapatite depends on the phosphate ion concentration.
[Comparative Example 1]

図10に実施例4の比較例として、イオン強度変化に対する金表面へのフィブリノーゲン吸着量の測定結果を示す。実施例4の結果と比較すると、水酸アパタイト薄膜を有する基板がリン酸イオン濃度に強く依存していることがわかる。この現象は、水酸アパタイトのタンパク質吸着における顕著な特徴であり他の基板では観察されないため、実施例1で作製された基板が、水酸アパタイト薄膜を有すことを示している。上述したように本方法により作製したバイオセンサー構成体は生体内を模倣した環境下におけるタンパク質吸着挙動解析に有用であることが示された。さらに以下に各種タンパク質に対する有効性を示す。用いたタンパク質は酸性タンパク質(人血清アルブミン、カタラーゼ)、中性タンパク質(ヘモグロビン、免疫グロブリン)、塩基性タンパク質(シトクロームc、リゾチーム)に分類される。測定には、Q−Sense D300(Q−Sense AB,イエテボリ、スウェーデン)を用いた。 As a comparative example of Example 4, FIG. 10 shows the measurement results of the amount of fibrinogen adsorbed on the gold surface with respect to ionic strength change. Compared with the results of Example 4, it can be seen that the substrate having the hydroxyapatite thin film strongly depends on the phosphate ion concentration. This phenomenon is a prominent feature in protein adsorption of hydroxyapatite and is not observed on other substrates, indicating that the substrate prepared in Example 1 has a hydroxyapatite thin film. As described above, it was shown that the biosensor construct produced by this method is useful for analyzing protein adsorption behavior in an environment simulating the inside of a living body. Furthermore, effectiveness against various proteins is shown below. The proteins used are classified into acidic proteins (human serum albumin, catalase), neutral proteins (hemoglobin, immunoglobulin), and basic proteins (cytochrome c, lysozyme). Q-Sense D300 (Q-Sense AB, Gothenburg, Sweden) was used for the measurement.

実施例2で作製した水酸アパタイト薄膜(21℃で合成した結晶)を有する金基盤をバイオセンサー(100Vで電気泳動体積させたセンター)として用いた場合のタンパク質の吸着挙動を示す。22℃で保持した温度条件で、基盤表面を0.1、0.5と1.0mg/mlのヒト血清アルブミン溶液(pI4.7、10mMのリン酸緩衝溶液)で満たした場合の振動数と消散値(D値)を測定した。その結果を図11に示す。初期タンパク質濃度により周波数の減少が増大し、それと共に消散値の増加が生じた。このことは、ヒト血清アルブミン分子が水酸アパタイト薄膜に吸着し、吸着層の粘弾性特性を変化させたことを示している。 The adsorption | suction behavior of the protein at the time of using the gold | metal | money base which has the hydroxyapatite thin film (crystal | crystallization synthesized at 21 degreeC) produced in Example 2 as a biosensor (the center made the electrophoresis volume by 100V) is shown. The frequency when the substrate surface was filled with 0.1, 0.5 and 1.0 mg / ml human serum albumin solution (pI4.7, 10 mM phosphate buffer solution) under the temperature condition maintained at 22 ° C. The extinction value (D value) was measured. The result is shown in FIG. The initial protein concentration increased the frequency decrease, with an increase in the extinction value. This indicates that human serum albumin molecules were adsorbed on the hydroxyapatite thin film and changed the viscoelastic properties of the adsorbed layer.

実施例2で作製した水酸アパタイト薄膜(21℃で合成した結晶)を有する金基盤をバイオセンサー(100Vで電気泳動体積させたセンター)として用いた場合のタンパク質の吸着挙動を示す。22℃で保持した温度条件で、基盤表面を0.1,0.5,1.0mg/mlのカタラーゼ溶液(pI5.5、MW240kDa、10mMのリン酸緩衝溶液)で満たした場合の振動数と消散値(D値)を測定した。その結果を図12に示す。初期タンパク質濃度により周波数の減少が増大し、それと共に消散値の増加が生じた。このことは、カタラーゼ分子が水酸アパタイト薄膜に吸着し、吸着層の粘弾性特性を変化させたことを示している。 The adsorption | suction behavior of the protein at the time of using the gold | metal | money base which has the hydroxyapatite thin film (crystal | crystallization synthesized at 21 degreeC) produced in Example 2 as a biosensor (the center made the electrophoresis volume by 100V) is shown. When the substrate surface is filled with 0.1, 0.5, 1.0 mg / ml catalase solution (pI 5.5, MW 240 kDa, 10 mM phosphate buffer solution) under the temperature condition maintained at 22 ° C. The extinction value (D value) was measured. The result is shown in FIG. The initial protein concentration increased the frequency decrease, with an increase in the extinction value. This indicates that catalase molecules were adsorbed on the hydroxyapatite thin film and changed the viscoelastic properties of the adsorption layer.

実施例2で作製した水酸アパタイト薄膜(21℃で合成した結晶)を有する金基盤をバイオセンサー(100Vで電気泳動体積させたセンター)として用いた場合のタンパク質の吸着挙動を示す。22℃で保持した温度条件で、基盤表面を0.1,0.5,1.0mg/mlの免疫グロブリン溶液(pI5.8―7.4、10mMのリン酸緩衝溶液)で満たした場合の振動数と消散値(D値)を測定した。その結果を図13に示す。初期タンパク質濃度により周波数の減少が増大し、それと共に消散値の増加が生じた。このことは、免疫グロブリン分子が水酸アパタイト薄膜に吸着し、吸着層の粘弾性特性を変化させたことを示している。 The adsorption | suction behavior of the protein at the time of using the gold | metal | money base which has the hydroxyapatite thin film (crystal | crystallization synthesized at 21 degreeC) produced in Example 2 as a biosensor (the center made the electrophoresis volume by 100V) is shown. When the substrate surface is filled with an immunoglobulin solution of 0.1, 0.5, 1.0 mg / ml (pI 5.8-7.4, 10 mM phosphate buffer solution) under the temperature condition maintained at 22 ° C. The frequency and the extinction value (D value) were measured. The result is shown in FIG. The initial protein concentration increased the frequency decrease, with an increase in the extinction value. This indicates that immunoglobulin molecules were adsorbed on the hydroxyapatite thin film and changed the viscoelastic properties of the adsorption layer.

実施例2で作製した水酸アパタイト薄膜(21℃で合成した結晶)を有する金基盤をバイオセンサー(100Vで電気泳動体積させたセンター)として用いた場合のタンパク質の吸着挙動を示す。22℃で保持した温度条件で、基盤表面を0.1,0.5,1.0mg/mlのヘモグロビン溶液(pI6.9、10mMのリン酸緩衝溶液)で満たした場合の振動数と消散値(D値)を測定した。その結果を図14に示す。初期タンパク質濃度により周波数の減少が増大し、それと共に消散値の増加が生じた。このことは、ヘモグロビン分子が水酸アパタイト薄膜に吸着し、吸着層の粘弾性特性を変化させたことを示している。 The adsorption | suction behavior of the protein at the time of using the gold | metal | money base which has the hydroxyapatite thin film (crystal | crystallization synthesized at 21 degreeC) produced in Example 2 as a biosensor (the center made the electrophoresis volume by 100V) is shown. Frequency and dissipation value when the substrate surface is filled with 0.1, 0.5, 1.0 mg / ml hemoglobin solution (pI 6.9, 10 mM phosphate buffer solution) under the temperature condition maintained at 22 ° C. (D value) was measured. The result is shown in FIG. The initial protein concentration increased the frequency decrease, with an increase in the extinction value. This indicates that hemoglobin molecules were adsorbed on the hydroxyapatite thin film and changed the viscoelastic properties of the adsorption layer.

実施例2で作製した水酸アパタイト薄膜(21℃で合成した結晶)を有する金基盤をバイオセンサー(100Vで電気泳動体積させたセンター)として用いた場合のタンパク質の吸着挙動を示す。22℃で保持した温度条件で、基盤表面を0.1,0.5,1.0mg/mlのシトクロームc溶液(pI9.8、10mMのリン酸緩衝溶液)で満たした場合の振動数と消散値(D値)を測定した。その結果を図15に示す。初期タンパク質濃度により周波数の減少が増大し、それと共に消散値の増加が生じた。このことは、シトクロームc分子が水酸アパタイト薄膜に吸着し、吸着層の粘弾性特性を変化させたことを示している。 The adsorption | suction behavior of the protein at the time of using the gold | metal | money base which has the hydroxyapatite thin film (crystal | crystallization synthesized at 21 degreeC) produced in Example 2 as a biosensor (the center made the electrophoresis volume by 100V) is shown. Frequency and dissipation when the substrate surface is filled with 0.1, 0.5, 1.0 mg / ml cytochrome c solution (pI 9.8, 10 mM phosphate buffer solution) under the temperature condition maintained at 22 ° C. The value (D value) was measured. The result is shown in FIG. The initial protein concentration increased the frequency decrease, with an increase in the extinction value. This indicates that cytochrome c molecules were adsorbed on the hydroxyapatite thin film and changed the viscoelastic properties of the adsorbed layer.

実施例2で作製した水酸アパタイト薄膜(21℃で合成した結晶)を有する金基盤をバイオセンサー(100Vで電気泳動体積させたセンター)として用いた場合のタンパク質の吸着挙動を示す。22℃で保持した温度条件で、基盤表面を0.1,0.5,1.0mg/mlのリゾチーム溶液(pI11.1、10mMのリン酸緩衝溶液)で満たした場合の振動数と消散値(D値)を測定した。その結果を図16に示す。初期タンパク質濃度により周波数の減少が増大し、それと共に消散値の増加が生じた。このことは、リゾチーム分子が水酸アパタイト薄膜に吸着し、吸着層の粘弾性特性を変化させたことを示している。 The adsorption | suction behavior of the protein at the time of using the gold | metal | money base which has the hydroxyapatite thin film (crystal | crystallization synthesized at 21 degreeC) produced in Example 2 as a biosensor (the center made the electrophoresis volume by 100V) is shown. Frequency and dissipation value when the substrate surface is filled with 0.1, 0.5, 1.0 mg / ml lysozyme solution (pI11.1, 10 mM phosphate buffer solution) under the temperature condition kept at 22 ° C. (D value) was measured. The result is shown in FIG. The initial protein concentration increased the frequency decrease, with an increase in the extinction value. This indicates that lysozyme molecules were adsorbed on the hydroxyapatite thin film and changed the viscoelastic properties of the adsorbed layer.

実施例6から11にて行った各種タンパク質の周波数変化(Δf値)及び消散値変化(ΔD値)をそれぞれでプロットした図を17に示す。酸性タンパク質では周波数変化(重量増加)に伴って消散値が直線的に変化することが明らかであった。一方、中性・塩基性タンパク質では図に示すように周波数の増加に伴い傾きの異なる直線が描けることが分かった。この傾きの違いは、タンパク質が吸着する過程で明確に吸着層の粘弾性特性が変化していることを意味している。傾きが大きいほど柔らかい吸着層が形成されていることが分かる。この原因としては、タンパク質の密度変化に伴う、吸着形態の変化などが考えられる。また、中性タンパク質と塩基性タンパク質では明らかに消散値の大きさが異なることが分かるが、これは吸着タンパク質の量にも依存している。 FIG. 17 shows a graph in which the frequency change (Δf value) and the extinction value change (ΔD value) of various proteins performed in Examples 6 to 11 are plotted. In acidic protein, it was clear that the extinction value changed linearly with frequency change (weight increase). On the other hand, it was found that neutral and basic proteins can draw straight lines with different slopes as the frequency increases, as shown in the figure. This difference in inclination means that the viscoelastic characteristics of the adsorption layer clearly change during the process of protein adsorption. It can be seen that a softer adsorption layer is formed as the inclination is larger. This may be due to changes in the adsorption form accompanying changes in protein density. In addition, it can be seen that the size of the extinction value is clearly different between neutral protein and basic protein, but this also depends on the amount of adsorbed protein.

実施例2で作製した水酸アパタイト薄膜(4℃、21℃、80℃で合成した結晶)を有する金基盤をバイオセンサー(100Vで電気泳動体積させたセンター)として用いた場合のタンパク質の吸着挙動を示す。22℃で保持した温度条件で、それぞれの基盤表面を1.0mg/mlのヒト血清アルブミン溶液(pI4.7、分子量69,000、10mMのリン酸緩衝溶液)及び1.0mg/mlのフィブリノーゲン(pi5.8、分子量340,000、10mMのリン酸緩衝溶液)で満たした場合の振動数と消散値(D値)を測定した。その結果を図18、19に示す。初期タンパク質濃度により周波数の減少が増大し、それと共に消散値の増加が生じた。ヒト血清アルブミン分子では合成温度により吸着量(周波数変化に違いが観測されたが、フィブリノーゲンでは吸着量に違いが観測されなかった。これは、蛋白質の分子量(大きさ)による依存すると考えられる。また、ヒト血清アルブミンでは、周波数変化(Δf値)と消散値変化(ΔD値)から算出される傾きには違いが見られなかった。このことは結晶性の異なる粒子表面に対して同じ粘弾性層が形成されていることを示す。
Protein adsorption behavior when a gold substrate having a hydroxyapatite thin film (crystals synthesized at 4 ° C., 21 ° C., and 80 ° C.) prepared in Example 2 is used as a biosensor (center subjected to electrophoresis volume at 100 V). Indicates. Under the temperature condition maintained at 22 ° C., each substrate surface was coated with 1.0 mg / ml human serum albumin solution (pI 4.7, molecular weight 69,000, 10 mM phosphate buffer solution) and 1.0 mg / ml fibrinogen ( The vibration frequency and the extinction value (D value) when filled with pi5.8, molecular weight 340,000, 10 mM phosphate buffer solution) were measured. The results are shown in FIGS. The initial protein concentration increased the frequency decrease, with an increase in the extinction value. In human serum albumin molecules, the amount of adsorption (difference in frequency change was observed depending on the synthesis temperature, but in fibrinogen, no difference was observed in the amount of adsorption. This is considered to depend on the molecular weight (size) of the protein. In human serum albumin, no difference was found in the slope calculated from the change in frequency (Δf value) and the change in dissipation value (ΔD value), which means that the same viscoelastic layer was applied to the particle surface having different crystallinity. Is formed.

水酸アパタイトナノ結晶のX線回折パターン図X-ray diffraction pattern of hydroxyapatite nanocrystals 電気泳動堆積法の模式図Schematic diagram of electrophoretic deposition method 最適なコーティング条件の決定に係わるAFM像AFM image for determining optimum coating conditions 高感度フーリエ変換赤外分光光度計(FT−IR−RAS)分析スペクトル図High sensitivity Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR-RAS) analysis spectrum diagram 水酸アパタイト薄膜のAFM像と厚さ測定図AFM image and thickness measurement diagram of hydroxyapatite thin film 各温度で合成した水酸アパタイトナノ結晶のX線回折パターン図X-ray diffraction pattern of hydroxyapatite nanocrystals synthesized at various temperatures 結晶サイズの異なる水酸アパタイトナノ結晶を用いた薄膜コーティングのAFM像AFM image of thin film coating using hydroxyapatite nanocrystals with different crystal sizes アルブミンの水酸アパタイトに対する吸着挙動図Adsorption behavior of albumin on hydroxyapatite リン酸濃度変化に伴う、水酸アパタイトに対する吸着挙動の変化図Changes in adsorption behavior for hydroxyapatite with changes in phosphate concentration リン酸濃度変化に伴う、金表面に対する吸着挙動の変化図Changes in adsorption behavior on the gold surface with changes in phosphoric acid concentration 血清アルブミン分子の吸着挙動:周波数変化(Δf値)と消散値変化(ΔD値)の時間プロットAdsorption behavior of serum albumin molecules: time plot of frequency change (Δf value) and dissipation value change (ΔD value) カタラーゼ分子の吸着挙動:周波数変化(Δf値)と消散値変化(ΔD値)の時間プロットAdsorption behavior of catalase molecules: time plot of frequency change (Δf value) and extinction value change (ΔD value) 免疫グロブリン分子の吸着挙動:周波数変化(Δf値)と消散値変化(ΔD値)の時間プロットAdsorption behavior of immunoglobulin molecules: time plot of frequency change (Δf value) and extinction value change (ΔD value) ヘモグロビン分子の吸着挙動:周波数変化(Δf値)と消散値変化(ΔD値)の時間プロットAdsorption behavior of hemoglobin molecules: time plot of frequency change (Δf value) and extinction value change (ΔD value) シトクロームc分子の吸着挙動:周波数変化(Δf値)と消散値変化(ΔD値)の時間プロットAdsorption behavior of cytochrome c molecule: time plot of frequency change (Δf value) and extinction value change (ΔD value) リゾチーム分子の吸着挙動:周波数変化(Δf値)と消散値変化(ΔD値)の時間プロットAdsorption behavior of lysozyme molecules: time plot of frequency change (Δf value) and dissipation value change (ΔD value) 各種タンパク質の周波数変化(Δf値)と消散値変化(ΔD値)のプロットPlot of frequency change (Δf value) and extinction value change (ΔD value) of various proteins 結晶性の異なるアパタイト粒子を用いたヒト血清アルブミンの吸着挙動を示すグラフ(周波数変化(Δf値)と消散値変化(ΔD値)の時間プロット)Graph showing adsorption behavior of human serum albumin using apatite particles with different crystallinity (time plot of frequency change (Δf value) and extinction value change (ΔD value)) 結晶性の異なるアパタイト粒子を用いたフィブリノーゲンの吸着挙動を示すグラフ(周波数変化(Δf値)と消散値変化(ΔD値)の時間プロット)Graph showing the adsorption behavior of fibrinogen using apatite particles with different crystallinity (time plot of frequency change (Δf value) and extinction value change (ΔD value))

Claims (3)

導電性基板上にリン酸カルシウム化合物のナノ結晶によるナノ薄膜が形成されており、前記ナノ結晶の大きさが200nm以下であり、前記ナノ薄膜の膜厚が50nm以下であることを特徴とするバイオセンサー構成体。 On a conductive substrate and nano thin film is formed by nanocrystals of calcium phosphate compounds, wherein is not less 200nm or less the size of the nanocrystals, biosensor thickness of the nano-thin film is characterized in der Rukoto below 50nm Construct. 導電性基板が金またはチタンであることを特徴とする請求項1のバイオセンサー構成体。 The biosensor structure according to claim 1, wherein the conductive substrate is gold or titanium. 請求項1又は請求項2に記載のバイオセンサーの製造方法であって、導電性基板上にリン酸カルシウム化合物の結晶を電気泳動堆積させた後、超音波照射して、リン酸カルシウム化合物のナノ結晶によるナノ薄膜を形成することを特徴とするバイオセンサー構成体の製造方法。
A method of manufacturing a biosensor according to claim 1 or claim 2, after the crystals of the calcium phosphate compounds were electrophoresed deposited on a conductive substrate, and ultrasonic irradiation, nano thin film according nanocrystalline calcium phosphate compound A process for producing a biosensor composition, characterized in that
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