JP6213987B2 - Micro glucose sensor - Google Patents

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本発明は、3DMEMSベースの露光技術、ナノインプリント技術、および他の微細加工プロセスを組み合わせた微小針型マイクログルコースセンサに関する。   The present invention relates to a microneedle microglucose sensor that combines 3D MEMS-based exposure technology, nanoimprint technology, and other microfabrication processes.

糖尿病は、現代人が直面している主な公衆衛生問題のうちの一つである。グルコースレベルが正常な生理学的範囲である110mg/dL±25mg/dL内に厳しく制限されている場合、糖尿病の合併症は制御され得ることが良く知られている(非特許文献1)。糖尿病患者に対する血液のグルコースレベルを測定することは、1971年に発表された(非特許文献2)。加えて、グルコースは、食品、飲料、生物流体の主な中間体のうちの一つであるから、糖値の低価格の現地での測定は、特に食品産業、生理学的処理、バイオ燃料セルの高品質生産と高効率のために特に必要である(非特許文献2)。結果として、高信頼性と高性能のグルコース測定デバイスの開発に多大な努力がなされている(非特許文献3)。   Diabetes is one of the major public health problems facing modern people. It is well known that diabetic complications can be controlled when glucose levels are strictly limited within the normal physiological range of 110 mg / dL ± 25 mg / dL (Non-Patent Document 1). Measuring blood glucose levels for diabetics was published in 1971 (Non-Patent Document 2). In addition, because glucose is one of the main intermediates in food, beverages and biofluids, low-cost local measurements of sugar levels are particularly important in the food industry, physiological processing, and biofuel cells. This is particularly necessary for high quality production and high efficiency (Non-Patent Document 2). As a result, great efforts have been made to develop a highly reliable and high-performance glucose measuring device (Non-patent Document 3).

さまざまなグルコース測定方法が開発されており、そのうちのいくつかは市販されている。これらグルコース測定技術は測定原理に基づき、光学的、経皮、電気化学、ピエゾ電気、熱電気、音響に分類される(非特許文献2、3、特許文献1)。例えば糖尿病への応用などの、オートメーション化された、早くて正確な医療、バイオテクノロジーへの応用のために必要とされることによる要求は、グルコース測定では、レスポンスが早く(1〜5min.)、精度が良く(最大偏差が10mg/dL以下)、高感度(2mg/dL)、大きいレンジ(20〜600mg/dL)、高い安定性(操作中±5%)である(非特許文献2)。その結果、グルコース測定の主流は、いまだに、その単純な原理と、開発が進んでいることから、電気化学バイオセンサである。電気化学バイオセンサは、電子化学活性物質の酸化または減少に基づく電流測定の原則、またはグルコン酸が局所的に生成されることによる局所的なpHの変動に基づいた電位差測定の原則に基づいて構成される。電位差測定のグルコースセンサは感度に限界があるが、検体の濃度変化の振幅が数オーダーに渡る場合は有効となりえる。電位差測定のグルコースセンサは、電気化学グルコースバイオセンサの発展の主な基準となる、検体の濃度に線形に依存する信号を得ることが出来る。電流測定のグルコースセンサは、通常、電気化学(電荷移動)反応のメカニズムに基づき、3つの異なるカテゴリに分類される。電荷移動のメカニズムは、(1)自然状態における酵素によるグルコースの酸化、(2)低分子量化合物を用いた仲介(mediated)電荷移動、(3)通常伝導性有機塩より構成される、酵素から特定の電極までの直接電荷移動、を含む。近年、ナノ物質の発展とともに、非酵素グルコースセンサがこの15年で急激に発展している。金属と炭素の電極における直接グルコース酸化のメカニズムは、いまだ不確定ではあるが、高感度、長時間安定の可能性、熱の影響に対する抵抗、低価格、単純で再現可能な製造方法をもたらす。   Various glucose measurement methods have been developed, some of which are commercially available. These glucose measurement techniques are classified into optical, transdermal, electrochemical, piezoelectric, thermoelectric, and acoustic based on the measurement principle (Non-Patent Documents 2, 3, and Patent Document 1). The demand for automated, fast and accurate medical, biotechnological applications, such as for example diabetes applications, has a fast response (1-5 min.) For glucose measurement, It has good accuracy (maximum deviation is 10 mg / dL or less), high sensitivity (2 mg / dL), large range (20 to 600 mg / dL), and high stability (± 5% during operation) (Non-Patent Document 2). As a result, the mainstream of glucose measurement is still an electrochemical biosensor due to its simple principle and ongoing development. Electrochemical biosensors are based on the principle of amperometry based on the oxidation or reduction of electrochemically active substances or the principle of potentiometry based on local pH fluctuations due to local generation of gluconic acid Is done. A glucose sensor for potentiometric measurement has a limit in sensitivity, but it can be effective when the amplitude of the concentration change of the sample is on the order of several orders. A potentiometric glucose sensor can obtain a signal that is linearly dependent on the concentration of the analyte, which is the main criterion for the development of electrochemical glucose biosensors. Amperometric glucose sensors are usually classified into three different categories based on the mechanism of electrochemical (charge transfer) reactions. The mechanism of charge transfer is identified from the enzyme, consisting of (1) the oxidation of glucose by the enzyme in the natural state, (2) the mediated charge transfer using low molecular weight compounds, and (3) the normal conducting organic salt. Direct charge transfer to the other electrode. In recent years, with the development of nanomaterials, non-enzymatic glucose sensors have developed rapidly in the last 15 years. The mechanism of direct glucose oxidation at metal and carbon electrodes, while still uncertain, provides high sensitivity, long-term stability, resistance to thermal effects, low cost, and a simple and reproducible manufacturing method.

米国特許第5605152号明細書US Pat. No. 5,605,152 米国特許第5165407号明細書US Pat. No. 5,165,407 米国特許第5586553号明細書US Pat. No. 5,586,553 米国特許第7976492号明細書U.S. Pat. No. 7,976,492 特願2009−168496号公報Japanese Patent Application No. 2009-16896 特願2006−045231号公報Japanese Patent Application No. 2006-045231

E. Wilkins, P. Atanasov, Glucose monitoring: state of the art and future possibilities, Med. Eng. Phys. Vol. 18, No. 4, pp. 273-288, 1996E. Wilkins, P. Atanasov, Glucose monitoring: state of the art and future possibilities, Med. Eng. Phys. Vol. 18, No. 4, pp. 273-288, 1996 N. S. Oliver, C. Toumazou, A. E. G. Cass and D. G. Johnston, Glucose sensors: a review of current and emerging technology, Diabetic Medicine, 26, 197-210, 2009N. S. Oliver, C. Toumazou, A. E. G. Cass and D. G. Johnston, Glucose sensors: a review of current and emerging technology, Diabetic Medicine, 26, 197-210, 2009 Joseph Wang, Electrochemical glucose biosensors, Chem. Rev. 2008, 108, 814-825Joseph Wang, Electrochemical glucose biosensors, Chem. Rev. 2008, 108, 814-825 E. S. Wilkins, Towards implantable glucose sensors: a review, J. Biomed. Eng., Vol. 11, 354-361, 1989E. S. Wilkins, Towards implantable glucose sensors: a review, J. Biomed. Eng., Vol. 11, 354-361, 1989 W. H. Lee, J-H. Lee, W-H. Choi, A. A. Hosni, I. Papautsuky, P. L.Bishop, Needle-type environmental microsensors: design, construction and uses of microelectrodes and multi-analyte MEMS sensor arrays, Meas. Sci. Technol. 22 2011) 042001WH Lee, JH. Lee, WH. Choi, AA Hosni, I. Papautsuky, PLBishop, Needle-type environmental microsensors: design, construction and uses of microelectrodes and multi-analyte MEMS sensor arrays, Meas. Sci. Technol. 22 2011 042001 K. Seidl, S. Spieth, S. Herwik, J. Steigert, R. Zengerle, O. Paul, P. Ruther, In-plane silicon probes for simultaneous neural recording and drug delivery, J. Micromech. Microeng. 20 (2010) 105006K. Seidl, S. Spieth, S. Herwik, J. Steigert, R. Zengerle, O. Paul, P. Ruther, In-plane silicon probes for simultaneous neural recording and drug delivery, J. Micromech. Microeng. 20 (2010 ) 105006 Y. Wang, F. Caruso, Enzyme encapsulation in nanoporous silica spheres, Chemistry Communication, 2004, 1528-1529Y. Wang, F. Caruso, Enzyme encapsulation in nanoporous silica spheres, Chemistry Communication, 2004, 1528-1529 S. Wu, H. Ju, Y. Liu, Conductive mesocellular silica-cabon nanocomposite foams for immobilization, direct electrochemistry, and biosensing of proteins, Adv. Funct. Mater. 2007, 585-592S. Wu, H. Ju, Y. Liu, Conductive mesocellular silica-cabon nanocomposite foams for immobilization, direct electrochemistry, and biosensing of proteins, Adv. Funct. Mater. 2007, 585-592 S. Bao, C. M. Li, J. Zang, X. Cui, Y. Qiao, J. Guo, New nanostructured TiO2 for direct electrochemistry and glucose sensor applications, Adv. Funct. Mater. 2008, 591-599S. Bao, C. M. Li, J. Zang, X. Cui, Y. Qiao, J. Guo, New nanostructured TiO2 for direct electrochemistry and glucose sensor applications, Adv. Funct. Mater. 2008, 591-599

異なる形状と大きさ、または異なる電極材料を用いた、さまざまな電気化学グルコースセンサが存在するが、小型針型グルコースセンサは、その少ない浸潤と高感度により、皮下のグルコース濃度を測定するといった応用に適している(特許文献2−4、非特許文献1−4)。加えて、通常、微細加工技術を用いて製造されるため、より多くの機能を実現するために他の電子部品を集積することが可能である。例えば、小型針型電気化学センサは同時に数種の検体を測定することに使用できる。近年、中空針型構造が、(1)高精度が実現可能、(2)流体輸送が可能、であるために、グルコースセンサとして注目されている。しかし、実際、多くの微細加工技術は平面プロセスから構成されるが、小型針型グルコースセンサは複雑なプロセスに関連している。加えて、中空針型構造を製造することは困難であり、さらに微小電極を集積することはより難しい(非特許文献5、6)。その結果、上述の技術は経済的に競争力のあるものとはいえない。つまり、中空小型針型電気化学センサの製造のための新たな微細加工技術が開発されるべきである。他の微小調査応用における、流体輸送と、光学的、電気的なものを含む信号伝送に関連した微細加工方法も必要である。よって、微小電極と他の微小構造を、中空(キャピラリー)および中空でないファイバー状基板上に集積することに多くの努力が費やされている。実際、ファイバーの微細加工技術は以下の要求に沿ったものである。
(1)小さなファイバーの限られた表面上の高効率電極、
(2)多層構造アライメントといった、異なる機能材料の集積が容易、
(3)大量生産が容易。
There are various electrochemical glucose sensors using different shapes and sizes, or different electrode materials, but the small needle glucose sensor is used for applications such as measuring subcutaneous glucose concentration due to its low infiltration and high sensitivity. It is suitable (patent documents 2-4, non-patent documents 1-4). In addition, since it is usually manufactured using a microfabrication technique, it is possible to integrate other electronic components in order to realize more functions. For example, a small needle electrochemical sensor can be used to measure several types of analytes simultaneously. In recent years, hollow needle type structures have attracted attention as glucose sensors because (1) high accuracy can be achieved and (2) fluid transportation is possible. However, in fact, many microfabrication technologies consist of planar processes, but small needle glucose sensors are associated with complex processes. In addition, it is difficult to manufacture a hollow needle structure, and it is more difficult to integrate microelectrodes (Non-Patent Documents 5 and 6). As a result, the above-described technology is not economically competitive. In other words, a new microfabrication technique for manufacturing a hollow small needle type electrochemical sensor should be developed. There is also a need for microfabrication methods related to fluid transport and signal transmission, including optical and electrical, in other microinvestigation applications. Thus, much effort has been expended to integrate microelectrodes and other microstructures onto hollow (capillary) and non-hollow fiber substrates. In fact, fiber microfabrication technology meets the following requirements:
(1) High efficiency electrode on limited surface of small fibers,
(2) Easy integration of different functional materials such as multilayer structure alignment,
(3) Easy mass production.

本願において、上述した試みの多くを経済的に解決する、ファイバー上に微小パターンと構造を作製する3DMEMSベースの露光技術を開示する(特許文献5)。高感度で、多数の機能材料を集積するためには、多大な努力が必要である。ナノおよび多孔質材料は電極表面領域を著しく増加させることはすでに知られている。メソ多孔質電極は酵素を捉えて包むことが出来る(非特許文献7―9)。その結果、これらは、伝達物質の必要性がないまま直接電子移動を達成するために、最近のグルコースセンサに用いられている。他の電気化学反応システムにおける同様の要求がある。近年、出願人は、微小燃料セルへの応用のためのナノインプリント電極を発明した(特許文献6)。ナノインプリント技術は、他の応用においても開発が試みられている。しかし現在まで、ナノインプリント技術のグルコースセンサ、および微小針型基板上に作製されるほかの電気化学電極への応用は報告されていない。   In the present application, a 3D MEMS-based exposure technique for producing a micropattern and a structure on a fiber, which economically solves many of the above-described attempts, is disclosed (Patent Document 5). A great deal of effort is required to integrate a large number of functional materials with high sensitivity. It is already known that nano and porous materials significantly increase the electrode surface area. The mesoporous electrode can capture and wrap the enzyme (Non-patent Documents 7-9). As a result, they are used in modern glucose sensors to achieve direct electron transfer without the need for a transmitter. There are similar requirements in other electrochemical reaction systems. In recent years, the applicant has invented a nanoimprint electrode for application to a micro fuel cell (Patent Document 6). Nanoimprint technology is also being developed for other applications. However, to date, no application of nanoimprint technology to glucose sensors and other electrochemical electrodes fabricated on microneedle-type substrates has been reported.

本願において、微小針型グルコースセンサと、3DMEMSベースの露光技術、ナノインプリント技術、および他の微細加工プロセスを組み合わせた微小針型グルコースセンサの新しい微細加工方法とを提供する。   The present application provides a micro-needle glucose sensor and a new micro-fabrication method of a micro-needle glucose sensor that combines 3D MEMS-based exposure technology, nano-imprint technology, and other micro-machining processes.

図1(a)は本発明にかかる電気化学グルコースセンサの概略図であり、図1(b)は図1(a)の拡大図である。Fig.1 (a) is the schematic of the electrochemical glucose sensor concerning this invention, FIG.1 (b) is an enlarged view of Fig.1 (a). 本発明にかかる3D微細加工モジュールの概略図であり、図2(a)は高解像度フォトリソグラフィーの3D微細加工モジュールを、図2(b)3Dナノインプリントモジュールを示す図である。It is the schematic of the 3D microfabrication module concerning this invention, FIG. 2 (a) is a figure which shows the 3D microfabrication module of high-resolution photolithography, and FIG.2 (b) 3D nanoimprint module. 本発明にかかる、フォトリソグラフィーに対するモジュールの製作過程を示す概略図である。It is the schematic which shows the manufacture process of the module with respect to photolithography concerning this invention. 本発明にかかる、3Dナノインプリントモールドに対するモジュールの製作過程を示す概略図である。It is the schematic which shows the manufacture process of the module with respect to 3D nanoimprint mold concerning this invention. 本発明にかかる、ファイバー上の電気化学電極の製作過程を示す概略図である。It is the schematic which shows the manufacture process of the electrochemical electrode on a fiber concerning this invention.

ファイバーおよび同様の材料は、従来のウエハと比較して多くの良く知られた有利な点を有する。特に、中空のファイバー、すなわちキャピラリーは、薬物および化学物質を運ぶために、中空構造が流体のチャネルとして利用できることから、医療、ヘルスケアへの応用において必要である。もちろん、中空構造は、化学物質の運搬以外の、信号伝送のためのほかの機能構造に代わることが出来る。ファイバー物質は、さまざまな寸法と形状を有することが出来る。直径は数μmから数mmに渡る。形状は、円、方形、多角形などである。マイクロセンサはファイバー上に作製される。複数本のファイバーは、単一のファイバーの形状の所望の製品に機械加工され、または他の電子部品とともに組み立てられる。   Fibers and similar materials have many well-known advantages over conventional wafers. In particular, hollow fibers, or capillaries, are necessary in medical and healthcare applications because the hollow structure can be used as a fluid channel to carry drugs and chemicals. Of course, the hollow structure can replace other functional structures for signal transmission other than the transport of chemicals. The fiber material can have various dimensions and shapes. The diameter ranges from several μm to several mm. The shape is a circle, a rectangle, a polygon, or the like. The microsensor is made on a fiber. The multiple fibers can be machined into the desired product in the form of a single fiber or assembled with other electronic components.

図1は、本発明の代表的な電気化学グルコースセンサの概略図である。グルコースセンサは中空ファイバー、すなわちキャピラリー1上に作製されている。図1において、グルコースセンサは3電極構造を有している。もちろん、2電極構造も機能する。電極2a〜2cの領域には、微小パターンが形成されている。電極は、リング状、方形、円形、などの形状をなす。電極のサイズは、数〜100平方μmである。1または全ての電極はナノインプリントパターン3a〜3cによって修正される。微細パターンのサイズは、数nmから数10μmである。これらの形状は、柱状、ドット、ホール、および複雑な形状をなす。もちろん、微細パターンは、基板上に直接形成されるだけでなく、UV反応性材料の層および(酵素、導電性高分子、などの)ほかの機能性材料との混合の層上に作製されてもよい。このようなナノインプリントパターンは、電気化学反応のために大きな領域に提供されるだけでなく、酵素やナノ物質に対するサポートを行う。これらのナノインプリントパターンは、電極において生物学的修飾の役に立ち、高感度が期待される。   FIG. 1 is a schematic diagram of a representative electrochemical glucose sensor of the present invention. The glucose sensor is made on a hollow fiber, ie capillary 1. In FIG. 1, the glucose sensor has a three-electrode structure. Of course, a two-electrode structure also works. A minute pattern is formed in the region of the electrodes 2a to 2c. The electrode has a ring shape, a square shape, a circular shape, or the like. The size of the electrode is several to 100 square μm. One or all electrodes are modified by the nanoimprint patterns 3a-3c. The size of the fine pattern is several nanometers to several tens of micrometers. These shapes are columnar, dots, holes, and complex shapes. Of course, the fine pattern is not only formed directly on the substrate, but also made on a layer of UV-reactive material and mixed with other functional materials (such as enzymes, conductive polymers, etc.) Also good. Such nanoimprint patterns are not only provided in large areas for electrochemical reactions, but also provide support for enzymes and nanomaterials. These nanoimprint patterns are useful for biological modification at the electrode and are expected to be highly sensitive.

図2は、本発明の3D微細加工モジュールの概略図である。ファイバー基板上にナノインプリントパターンによって電気化学グルコースセンサを量産するために、図2に示すような、新たなタイプの3D微細加工モジュールが必要である。フォトリソグラフィーとナノインプリントのそれぞれのための、2種の3D微細加工モジュールが必要である。図2(a)は高解像度フォトリソグラフィーの3D微細加工モジュールを示す。図2(b)は3Dナノインプリントモジュールである。3DナノインプリントモジュールはUVナノインプリントまたは熱ナノインプリントにも利用できる。3Dフォトリソグラフィーモジュールは、クオーツといった、優れた機械的性質を有するUV透過性材料によって作製されている。UVナノインプリントモジュールは、透過性、非透過性のどちらの場合もある。非透過性モジュールは、アライメント操作が不要であるときに可能である。アライメントが必要な場合、3Dナノインプリントモジュールはアライメントマークを適合させるために、少なくとも局所的に透過性でなければならない。これら3D微細加工モジュールを用いて、ナノインプリント構造を含む高解像度パターンが、連続前進(continuous stepping−forwardly)モードにおいて高い生産性をもって、ファイバー上に作製される。   FIG. 2 is a schematic view of the 3D microfabricated module of the present invention. In order to mass-produce electrochemical glucose sensors on a fiber substrate with nanoimprint patterns, a new type of 3D microfabricated module as shown in FIG. 2 is required. Two types of 3D microfabricated modules are needed for each of photolithography and nanoimprint. FIG. 2A shows a 3D microfabrication module for high resolution photolithography. FIG. 2B shows a 3D nanoimprint module. The 3D nanoimprint module can also be used for UV nanoimprint or thermal nanoimprint. The 3D photolithography module is made of a UV transmissive material having excellent mechanical properties, such as quartz. The UV nanoimprint module may be transmissive or non-transmissive. Non-permeable modules are possible when no alignment operation is required. If alignment is required, the 3D nanoimprint module must be at least locally transmissive to adapt the alignment mark. Using these 3D microfabricated modules, high resolution patterns including nanoimprint structures are produced on the fiber with high productivity in a continuous stepping-forward mode.

ファイバー上に微細構造を作製するナノインプリントモードは3種類あり、(1)スライディングナノインプリント、(2)連続ナノインプリント、(3)連続前進ナノインプリント、である。スライディングナノインプリントモードの型は従来の方法によって用意できる。しかしながら、スライディングナノインプリントモードは、型とファイバーの動きと関連しており、最小の操作で連続モードを実現することが困難であるために、比較的生産性が低い。連続ナノインプリントモードは、用意するのが困難であるローラー形式の型を必要とする。連続前進ナノインプリントは、図2に示すような3D微細加工モジュールを必要とする。熱インプリント技術はこれら微細加工に対して、大きなアスペクト比、よって大きな反応領域をもって、使用される。UVナノインプリント技術は、パターンがファイバー基板上にUV感応性高分子コーティングで形成される場合、高い生産性効率により、勧められる。本発明は、(3)連続前進ナノインプリントに主に関する。   There are three types of nanoimprint modes for producing microstructures on the fiber: (1) sliding nanoimprint, (2) continuous nanoimprint, and (3) continuous forward nanoimprint. The type of the sliding nanoimprint mode can be prepared by a conventional method. However, the sliding nanoimprint mode is associated with mold and fiber movement, and it is difficult to realize a continuous mode with a minimum of operation, so it is relatively unproductive. Continuous nanoimprint mode requires a roller-type mold that is difficult to prepare. Continuous forward nanoimprint requires a 3D microfabricated module as shown in FIG. Thermal imprint technology is used for these microfabrications with a large aspect ratio and thus a large reaction area. UV nanoimprint technology is recommended due to high productivity efficiency when the pattern is formed on a fiber substrate with a UV sensitive polymer coating. The present invention mainly relates to (3) continuous forward nanoimprint.

曲面に対して使用できる3D露光モジュールは、投影リソグラフィー、ソフトリソグラフィー、および他のリソグラフィー技術を用いて用意することが出来る。モジュール基板は、平面基板、ハーフパイプ基板のどちらを用いても用意できる。平面基板は、平面基板上のトレンチ構造を直接微細加工することに関連している。実際、投影リソグラフィー技術は、深さ100μm以下のトレンチに対してのみ使用することが出来る。加えて、投影リソグラフィーは解像度に制限があり、したがってマスクパターンが制限され、このことはナノインプリントプロセスにそぐわない。3D微細加工モジュールにおいて高解像度パターンを実現するために、マルチフォトニック重合ベースの直接レーザー書き込み技術が使用される。その結果、直径100nm構造がハーフパイプ構造内に形成される。3D微細加工モジュールの製造方法は以下の通りである。   A 3D exposure module that can be used for curved surfaces can be prepared using projection lithography, soft lithography, and other lithography techniques. The module substrate can be prepared using either a flat substrate or a half-pipe substrate. A planar substrate is associated with direct microfabrication of a trench structure on the planar substrate. In fact, the projection lithography technique can only be used for trenches with a depth of 100 μm or less. In addition, projection lithography has a limited resolution, thus limiting the mask pattern, which is not compatible with the nanoimprint process. In order to achieve high resolution patterns in 3D microfabricated modules, multi-photonic polymerization based direct laser writing technology is used. As a result, a 100 nm diameter structure is formed in the half pipe structure. The manufacturing method of the 3D microfabricated module is as follows.

モジュール基板は、微細加工と高精度機械加工技術を組み合わせて用意される。モジュール基板は、ガラス、クオーツ、金属、透過性、非透過性を含む他の材料であってよい。平面基板だけでなく、ハーフパイプ基板を使用することも出来る。図3は、リフトオフプロセスを利用した、ハーフパイプ基板上の、フォトリソグラフィーに対するモジュールの製作過程を示す。必要とされる洗浄がなされる(図3(a))。薄いレジスト材料5がハーフパイプ基板上に設置される(図3(b))。マルチフォトニック重合ベースの直接レーザー書き込み技術が、ハーフパイプ基板内部の微細パターンを形成するために使用される。厚さ数10から1000nmの金属の薄膜が堆積される。残りのレジストパターンは除去され、マスク金属パターン6が形成される(図3(c))。直接エッチングプロセスを用いて露光モジュールの微細パターンを形成しても良い。。図4は、連続前進モードの3Dナノインプリントモールドの製作過程を示す。金属の層7を、ハーフパイプ基板8内に堆積させる(図4(a))。次に厚いレジストモールド9が、マルチフォトニック重合ベースの直接レーザー書き込み技術を使用して形成される(図4(b))。次に、優れた機械特性を有するニッケル合金フィルムまたは他の材料10が電気めっきされる(図4(c))。次に、レジストモールドおよびシード層が除去される(図4(d))。非透過性ハーフパイプ基板を使用することが出来る。実際には、アライメントが可能となり、より複雑な微細構造が実現できることから、クオーツおよび他の透過性ハーフパイプ基板が好ましい。ファイバー基盤が高分子ベースである場合はより好ましい。   The module substrate is prepared by combining micromachining and high-precision machining technology. The module substrate may be glass, quartz, metal, other materials including transmissive and non-permeable. Not only a flat substrate but also a half-pipe substrate can be used. FIG. 3 shows a module fabrication process for photolithography on a half-pipe substrate using a lift-off process. The required cleaning is performed (FIG. 3 (a)). A thin resist material 5 is placed on the half-pipe substrate (FIG. 3B). A multi-photonic polymerization based direct laser writing technique is used to form a fine pattern inside the half-pipe substrate. A metal thin film having a thickness of 10 to 1000 nm is deposited. The remaining resist pattern is removed, and a mask metal pattern 6 is formed (FIG. 3C). A fine pattern of the exposure module may be formed using a direct etching process. . FIG. 4 shows a manufacturing process of a 3D nanoimprint mold in a continuous advance mode. A metal layer 7 is deposited in the half-pipe substrate 8 (FIG. 4A). A thick resist mold 9 is then formed using a multi-photonic polymerization based direct laser writing technique (FIG. 4 (b)). Next, a nickel alloy film or other material 10 having excellent mechanical properties is electroplated (FIG. 4 (c)). Next, the resist mold and the seed layer are removed (FIG. 4D). A non-permeable half-pipe substrate can be used. In practice, quartz and other permeable half-pipe substrates are preferred because alignment is possible and more complex microstructures can be realized. It is more preferable when the fiber base is a polymer base.

[実施例:ファイバー上のナノインプリント電気化学電極]
図5は、ナノインプリントおよびフォトリソグラフィー技術の組み合わせを使用したファイバー上の電気化学電極の作製過程を示す。ファイバー11は、図2(b)および図4に示す本発明のナノインプリントモジュールによって挟まれ、微小パターン12が形成される(図5(b))。ナノインプリントされたファイバーは、Pt金属薄膜で覆われる。次に、レジスト13a〜13cによって覆われ、図2(a)および図3に示す、本願発明の3D露光モジュール(ただし、微細パターンが図2(a)のものとは異なる)に導入され、フォトリソグラフィープロセスが実行される(図5(c))。現像後、Ptフィルムは、基本の電極14a〜14cを形成するためにパターニングされる(図5(d))。リファレンス電極を形成するために、薄いレジストフィルム15が形成され、パターニングされる。厚さ300nmのAg薄膜が形成され、その表面が厚さ約200nmのAgCl層16に修正され(図5(e))レジストが除去される(図5(f))。次に、酵素と他の機能性材料がインクジェット法によってワーク電極16(AgCl層16)内に導入される。ナノインプリントパターンの存在のため、酵素および他の機能性材料はワーク電極16内によく閉じ込められる。薄い、または厚いフィルムを形成するためにスプレーコーティング技術が使用される。浸漬被覆技術も可能である。パッシベーション層が形成される場合、酵素は、ディッピング法によってナノインプリント電極上に形成されることが出来る。
[Example: Nanoimprinted electrochemical electrode on fiber]
FIG. 5 shows the process of making an electrochemical electrode on a fiber using a combination of nanoimprint and photolithography techniques. The fiber 11 is sandwiched between the nanoimprint modules of the present invention shown in FIGS. 2B and 4 to form a micropattern 12 (FIG. 5B). The nanoimprinted fiber is covered with a Pt metal thin film. Next, it is covered with resists 13a to 13c, introduced into the 3D exposure module of the present invention shown in FIGS. 2 (a) and 3 (however, the fine pattern is different from that of FIG. 2 (a)), and photo A lithography process is performed (FIG. 5C). After development, the Pt film is patterned to form basic electrodes 14a-14c (FIG. 5 (d)). In order to form a reference electrode, a thin resist film 15 is formed and patterned. An Ag thin film having a thickness of 300 nm is formed, and its surface is modified to an AgCl layer 16 having a thickness of about 200 nm (FIG. 5E), and the resist is removed (FIG. 5F). Next, an enzyme and another functional material are introduced into the work electrode 16 (AgCl layer 16) by an ink jet method. Due to the presence of the nanoimprint pattern, enzymes and other functional materials are well confined within the work electrode 16. Spray coating techniques are used to form thin or thick films. Dip coating techniques are also possible. When the passivation layer is formed, the enzyme can be formed on the nanoimprint electrode by a dipping method.

以下に本実施例の詳細を述べる。   Details of this embodiment will be described below.

本発明の3D露光モジュールは次のようにして作製される。ハーフパイプ基板を用いて、3D露光モジュールが形成される。ハーフパイプ基板は、高精度機械加工によって形成される。ハーフパイプ基板にスパッタリングを行い120nmの厚さのCr薄膜を形成される。次に、薄いレジストフィルムが、ハーフパイプ基板内に形成される。次に、マルチフォトニック重合ベースの直接レーザー書き込み技術を使用して微細パターンがハーフパイプ基板上に直接形成される。現像後、Cr薄膜のエッチャント内でエッチングされる。   The 3D exposure module of the present invention is manufactured as follows. A 3D exposure module is formed using a half-pipe substrate. The half pipe substrate is formed by high precision machining. A Cr thin film having a thickness of 120 nm is formed by sputtering the half pipe substrate. Next, a thin resist film is formed in the half pipe substrate. A fine pattern is then formed directly on the half-pipe substrate using a multi-photonic polymerization based direct laser writing technique. After development, etching is performed in an etchant of a Cr thin film.

本願発明の3D露光モジュールを使用して、ファイバー上の電気化学電極は次のようにして作製される。直径330μmポリイミドキャピラリーが基板として使用された。3Dナノインプリントモジュールは図4のプロセスを用いてクオーツ基板上に形成された。50nm厚のCr/Cu薄膜がハーフパイプ構造の基板上にスパッタされ、次に厚いレジスト溶液で覆われた。マルチフォトニック重合ベースの直接レーザー書き込み技術を使用して、直径500nm、高さ200nmのピラーアレイが形成された。次に150nm厚のNiフィルムが電気めっきされた。次にレジストモジュールとCr/Cuシード層が除去された。ナノインプリントモジュールを使用して、直径500nmピラー構造がポリイミドキャピラリー上に直接形成される。ピラー構造は高さが約100nm、ピッチは1μmである。次に、ナノインプリントされたポリイミドキャピラリーは、Pt金属薄膜で覆われる。厚さ3μmのShipley1830フォトレジストがスプレーコーティングを用いて基板上に形成される。レジストに覆われたファイバーは、3D露光モジュール内に導入され、アライメント操作が実行される。薄いPtフィルムはパターニングされ、電極構造が形成される。3電極構造の場合、レジスト層を除去したあと、キャピラリーは、AgCl/Agリファレンス電極を形成するために、再度薄いレジストフィルムに覆われ、パターニングされる。AgCl/Agリファレンス電極は次のように形成される。300nmの厚さのAgフィルムが形成され、リフトオフ法によってパターニングされる。次に、HCl溶液に浸され、AgフィルムがAgClに転換される。ナノインプリントパターンは酵素をワーク電極内に閉じ込めることが出来るため、作製されたグルコースセンサは再現性が良い。   Using the 3D exposure module of the present invention, an electrochemical electrode on a fiber is produced as follows. A 330 μm diameter polyimide capillary was used as the substrate. A 3D nanoimprint module was formed on a quartz substrate using the process of FIG. A 50 nm thick Cr / Cu thin film was sputtered onto a half-pipe substrate and then covered with a thick resist solution. Pillar arrays with a diameter of 500 nm and a height of 200 nm were formed using a multi-photonic polymerization based direct laser writing technique. A 150 nm thick Ni film was then electroplated. Next, the resist module and the Cr / Cu seed layer were removed. Using a nanoimprint module, a 500 nm diameter pillar structure is formed directly on a polyimide capillary. The pillar structure has a height of about 100 nm and a pitch of 1 μm. The nanoimprinted polyimide capillary is then covered with a Pt metal thin film. A 3 μm thick Shipley 1830 photoresist is formed on the substrate using spray coating. The fiber covered with the resist is introduced into the 3D exposure module, and an alignment operation is performed. A thin Pt film is patterned to form an electrode structure. In the case of a three-electrode structure, after removing the resist layer, the capillary is again covered with a thin resist film and patterned to form an AgCl / Ag reference electrode. The AgCl / Ag reference electrode is formed as follows. A 300 nm thick Ag film is formed and patterned by a lift-off method. Next, it is immersed in HCl solution, and the Ag film is converted to AgCl. Since the nanoimprint pattern can confine the enzyme in the work electrode, the produced glucose sensor has good reproducibility.

1 キャピラリー
2a、2b、2c 電極
3a、3b、3c ナノインプリントパターン
4、8 ハーフパイプ基板
5、13a、13b、13c レジスト材料
6 金属膜
7 金属の層
9 レジストモールド
10 ニッケル合金フィルムまたは他の材料
11 ファイバー
12 微小パターン
14a、14b、14c 基本の電極
15 レジストフィルム
16 AgCl層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Capillary 2a, 2b, 2c Electrode 3a, 3b, 3c Nanoimprint pattern 4, 8 Half pipe substrate 5, 13a, 13b, 13c Resist material 6 Metal film 7 Metal layer 9 Resist mold 10 Nickel alloy film or other material 11 Fiber 12 Micropattern 14a, 14b, 14c Basic electrode 15 Resist film 16 AgCl layer

Claims (8)

微小キャピラリー上へのグルコースセンサ作製のための3D微細加工モジュールであって、
ハーフパイプ基板と、
前記ハーフパイプ基板上の金属薄膜とを備え
前記金属薄膜は、ナノインプリントプロセスにより前記微小キャピラリー上に微細構造を形成するための微細パターン形成されていることを特徴とする3D微細加工モジュール。
A 3D microfabrication module for producing a glucose sensor on a microcapillary,
Half pipe substrate,
And a metal thin film on the half-pipe substrate,
The metal thin film, 3D microfabrication module, wherein a fine pattern for forming a fine structure on the micro capillary is formed by nanoimprint process.
前記微細パターンは、前記微小キャピラリー上にピラー構造を形成するように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の3D微細加工モジュール。   The 3D microfabricated module according to claim 1, wherein the fine pattern is formed so as to form a pillar structure on the microcapillary. 前記ハーフパイプ基板がUV透過型であって、前記ナノインプリントプロセスがUVベースであることを特徴とする請求項1に記載の3D微細加工モジュール。 The half pipe substrate is a UV transmissive, 3D microfabrication module of claim 1, wherein the nano-imprint process is characterized in that it is a UV-based. 前記ナノインプリントプロセスが熱ベースであることを特徴とする請求項1に記載の3D微細加工モジュール。 The 3D microfabricated module according to claim 1, wherein the nanoimprint process is heat-based. 請求項1乃至4のいずれかに記載の3D微細加工モジュールを用いて作製したグルコースセンサであって、
微小キャピラリーと、
微小キャピラリー上電極とを備え
前記電極は微小パターンを有し、前記電極内に酵素を有することを特徴とするグルコースセンサ。
A glucose sensor produced using the 3D microfabricated module according to claim 1,
A microcapillary,
And an electrode on the small capillaries,
The glucose sensor, wherein the electrode has a micropattern and an enzyme is contained in the electrode.
微小キャピラリー上へのグルコースセンサ作製のための3Dナノインプリントモジュールの作製方法であって、
ハーフパイプ基板内に金属のシード層を堆積させることと、
前記ハーフパイプ基板内にレジスト材料を設置することと、
マルチフォトニック重合ベースの直接レーザー書き込み技術を使用して前記ハーフパイプ基板内の微細パターンであって、ナノインプリントプロセスにより前記微小キャピラリー上に微細構造を形成するための微細パターンを形成することと、
前記ハーフパイプ基板内に、ニッケル合金フィルムを堆積させることと、
前記レジスト材料および前記シード層を除去することと
を備えた方法。
A method for producing a 3D nanoimprint module for producing a glucose sensor on a microcapillary,
Depositing a metal seed layer in the half-pipe substrate;
Installing a resist material in the half pipe substrate;
Forming a fine pattern in the half-pipe substrate using a multi-photonic polymerization based direct laser writing technique to form a fine structure on the microcapillary by a nanoimprint process ;
Depositing a nickel alloy film in the half-pipe substrate;
Removing the resist material and the seed layer.
微小キャピラリー上へのグルコースセンサの作製方法であって、
請求項に記載の方法で作製された3Dナノインプリントモジュールによって前記微小キャピラリーを覆い、前記微小キャピラリー上に微パターンをインプリントすることと、
インプリントされた前記微小キャピラリー上にPt金属薄膜を堆積させることと、
前記Pt金属薄膜上をレジストで覆うことと、
記微小キャピラリーを覆い、フォトリソグラフィープロセスを実行することと、
前記Pt金属薄膜をパターニングすることと、
前記Pt金属薄膜がパターニングされた前記微小キャピラリーを薄いレジスト層で覆い、パターニングすることと、
前記パターニングされた前記微小キャピラリー上にAg薄膜を形成することと、
前記Ag薄膜が形成された前記微小キャピラリーをHCl溶液に浸し、Ag薄膜をAgClに転換して電極とすることと、
前記電極内に酵素を導入することと
を備えた方法。
A method for producing a glucose sensor on a microcapillary,
And that charged by 3D nanoimprint module manufactured by the method according to claim 6 covering the micro capillary, imprinting the fine pore pattern on the fine capillaries,
Depositing a Pt metal thin film on the imprinted microcapillary;
Covering the Pt metal thin film with a resist;
Covering the previous Symbol micro-capillary, and performing a photolithography process,
Patterning the Pt metal thin film;
Covering the microcapillary patterned with the Pt metal thin film with a thin resist layer, and patterning;
Forming an Ag thin film on the patterned microcapillary;
Immersing the microcapillary on which the Ag thin film is formed in an HCl solution, converting the Ag thin film into AgCl, and forming an electrode;
Introducing an enzyme into the electrode.
前記微細パターンは、ピラー構造であることを特徴とする請求項に記載の方法。 The method according to claim 7 , wherein the fine pattern has a pillar structure.
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