JP6280877B2 - Biosensor and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、バイオセンサ、及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a biosensor and a manufacturing method thereof.

バイオセンサとは、酵素や免疫抗体などの生体物質が特定の化学物質と鋭敏に反応することを利用したセンサであり、従来の物理センサや化学センサでは困難とされていた有機物質の微量検出に主に用いられる。   Biosensors are sensors that make use of the fact that biological substances such as enzymes and immuno-antibodies react with specific chemical substances in a sensitive manner, and are used to detect trace amounts of organic substances that have been difficult with conventional physical and chemical sensors. Mainly used.

近年、バイオセンサの方式として、ナノグラムオーダーの極めて微小な質量変化を測定できる水晶振動子マイクロバランス法(QCM法)が注目されている。QCM法は、水晶の圧電効果を利用したもので、水晶振動子上の作用電極表面に試料ガスや試料溶液を吸着させたときの水晶振動子の共振周波数の変化から対象物質の質量を測定する。   In recent years, attention has been paid to a quartz crystal microbalance method (QCM method) that can measure a very small mass change on the order of nanograms as a biosensor method. The QCM method uses the piezoelectric effect of quartz, and measures the mass of the target substance from the change in the resonance frequency of the quartz crystal when a sample gas or sample solution is adsorbed on the surface of the working electrode on the quartz crystal. .

QCM型のバイオセンサは、測定に際し、電極表面に測定対象物を吸着させる必要がある。そこで、電極の吸着性を向上させるため、多くの化学物質に対して極めて高い吸着能力を示すハイドロキシアパタイトによって電極表面をコーティングしたバイオセンサが知られている(特許文献1)。   A QCM-type biosensor needs to adsorb an object to be measured on the electrode surface during measurement. Therefore, in order to improve the adsorptivity of the electrode, a biosensor is known in which the electrode surface is coated with hydroxyapatite that exhibits an extremely high adsorption capacity for many chemical substances (Patent Document 1).

国際公開第2006/025358号International Publication No. 2006/025358

しかしながら、バイオセンサの電極としては一般的に金が用いられるため、電極表面を直接ハイドロキシアパタイト膜によりコーティングしようとした場合には、金とハイドロキシアパタイトの結合性が良くないためにハイドロキシアパタイト膜が電極表面に良好に結合せず、ハイドロキシアパタイト膜にクラックが発生したり、ハイドロキシアパタイト膜が剥がれ落ちたりすることがあった。   However, since gold is generally used as an electrode for a biosensor, when the electrode surface is to be coated directly with a hydroxyapatite film, the bond between the gold and the hydroxyapatite is not good. In some cases, the hydroxyapatite film was not well bonded to the surface, cracking occurred in the hydroxyapatite film, or the hydroxyapatite film was peeled off.

それ故、本発明の課題は、電極表面がハイドロキシアパタイト膜によって良好にコーティングされたバイオセンサ、及びその製造方法を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a biosensor in which the electrode surface is satisfactorily coated with a hydroxyapatite film and a method for producing the same.

本発明にかかるバイオセンサは、水晶振動子上に金からなる電極を有し、前記電極上に吸着された対象物の質量を測定するバイオセンサであって、前記電極の表面上に、チタンを含む第1の中間層と、前記第1の中間層上に、チタンがドープされたハイドロキシアパタイトからなる第2の中間層と、前記第2の中間層上に、結晶化されたハイドロキシアパタイト膜と、を備えることを特徴とする。   A biosensor according to the present invention is a biosensor having an electrode made of gold on a crystal resonator and measuring the mass of an object adsorbed on the electrode, and titanium is formed on the surface of the electrode. A first intermediate layer, a second intermediate layer made of hydroxyapatite doped with titanium on the first intermediate layer, and a hydroxyapatite film crystallized on the second intermediate layer, It is characterized by providing.

本発明に用いられるハイドロキシアパタイト(ヒドロキシアパタイト、HAp)は、人間の骨や歯の主要構成物質であり、その生体親和性の高さから、人工骨や人工歯根をはじめとするインプラント素材として幅広く用いられている。また、タンパク質、アミノ酸、脂質、糖などの多くの化学物質に対して、極めて高い吸着能力を示すことが知られている。   Hydroxyapatite (hydroxyapatite, HAp) used in the present invention is a main constituent of human bones and teeth, and is widely used as an implant material including artificial bones and artificial tooth roots because of its high biocompatibility. It has been. In addition, it is known to exhibit an extremely high adsorption ability for many chemical substances such as proteins, amino acids, lipids, and sugars.

そのため、本発明の構成によれば、電極表面が吸着能力に優れたハイドロキシアパタイト膜でコーティングされているため、少量の物質でも適切に吸着させることができ、センサの検出精度を向上させることができる。また、ハイドロキシアパタイト膜は、チタンからなる第1の中間層、及びチタンがドープされたハイドロキシアパタイトからなる第2の中間層を介して形成されているため、ハイドロキシアパタイト膜は電極表面に密着性良く形成され、ハイドロキシアパタイト膜のクラックや剥離を抑制できるとともに、ハイドロキシアパタイト膜の耐久性を向上させることができる。   Therefore, according to the configuration of the present invention, since the electrode surface is coated with a hydroxyapatite film having excellent adsorption capability, even a small amount of substance can be adsorbed appropriately, and the detection accuracy of the sensor can be improved. . Further, since the hydroxyapatite film is formed through the first intermediate layer made of titanium and the second intermediate layer made of hydroxyapatite doped with titanium, the hydroxyapatite film has good adhesion to the electrode surface. As a result, cracks and peeling of the hydroxyapatite film can be suppressed, and the durability of the hydroxyapatite film can be improved.

ここで、バイオセンサの電極表面をハイドロキシアパタイト膜によりコーティングする際には、ハイドロキシアパタイト膜の膜厚が重要となる。QCM型バイオセンサは、水晶振動子の共振周波数の変化により対象物の質量を測定するため、ハイドロキシアパタイト膜が厚すぎると、ハイドロキシアパタイト膜の重さによって水晶振動子の共振に影響を与え、測定精度が悪化するおそれがある。また逆にハイドロキシアパタイト膜が薄すぎると、測定対象物を適切に吸着できなかったり、電極表面と良好に結合せずクラックや剥離の問題が生じるおそれがある。   Here, when the electrode surface of the biosensor is coated with a hydroxyapatite film, the thickness of the hydroxyapatite film is important. Since the QCM biosensor measures the mass of the object by changing the resonance frequency of the quartz resonator, if the hydroxyapatite film is too thick, the weight of the hydroxyapatite film affects the resonance of the quartz crystal and measures it. The accuracy may deteriorate. On the other hand, if the hydroxyapatite film is too thin, the object to be measured cannot be properly adsorbed, or it may not be bonded well to the electrode surface, which may cause problems of cracks and peeling.

そこで、上記の構成にあっては、ハイドロキシアパタイト膜の膜厚は200nm〜400nmであることが好ましい。   Therefore, in the above configuration, the thickness of the hydroxyapatite film is preferably 200 nm to 400 nm.

このような範囲にあるハイドロキシアパタイト膜は、薄すぎることがないため、対象物を適切に吸着できなかったり、電極表面と良好に結合せずクラックや剥離が生じるといった問題を回避できる。また厚すぎることもないため、ハイドロキシアパタイト膜の重さによって水晶振動子の共振に影響を与えセンサ精度が悪化することを防止できる。   Since the hydroxyapatite film in such a range is not too thin, it is possible to avoid problems such as failure to adequately adsorb an object, or cracking or peeling due to poor bonding with the electrode surface. Moreover, since it is not too thick, it is possible to prevent the sensor accuracy from deteriorating by affecting the resonance of the crystal resonator due to the weight of the hydroxyapatite film.

また、上記の構成にあっては、第1の中間層の膜厚は40〜50nmであることが好ましく、第2の中間層の膜厚は20〜50nmであることが好ましい。 In the above configuration, the thickness of the first intermediate layer is preferably 40 to 50 nm, and the thickness of the second intermediate layer is preferably 20 to 50 nm.

このような範囲にある第1の中間層及び第2の中間層は、薄すぎることがないため、電極表面に適切に結合しなかったり、その上に形成されるハイドロキシアパタイト膜と適切に結合しないという問題を回避することができる。また厚すぎることもないため、これらの中間層の重さにより水晶振動子の発振に影響を与えセンサ精度が悪化することを防止できる。   Since the first intermediate layer and the second intermediate layer in such a range are not too thin, they do not appropriately bond to the electrode surface or appropriately bond to the hydroxyapatite film formed on the electrode surface. Can be avoided. Moreover, since it is not too thick, it is possible to prevent the sensor accuracy from deteriorating due to the weight of these intermediate layers affecting the oscillation of the crystal resonator.

以上説明したように、本発明にかかるバイオセンサによれば、電極表面がハイドロキシアパタイト膜によってコーティングされているため、少量の物質でも適切に吸着させることができ、センサの検出精度を向上させることができる。また、ハイドロキシアパタイト膜は、チタンからなる第1の中間層、及びチタンがドープされたハイドロキシアパタイトからなる第2の中間層を介して形成されているため、ハイドロキシアパタイト膜は電極表面に密着性良く形成され、ハイドロキシアパタイト膜のクラックや剥離を防止でき、耐久性を向上させることができる。   As described above, according to the biosensor of the present invention, since the electrode surface is coated with a hydroxyapatite film, even a small amount of substance can be adsorbed appropriately, and the detection accuracy of the sensor can be improved. it can. Further, since the hydroxyapatite film is formed through the first intermediate layer made of titanium and the second intermediate layer made of hydroxyapatite doped with titanium, the hydroxyapatite film has good adhesion to the electrode surface. The formed hydroxyapatite film can be prevented from cracking and peeling, and the durability can be improved.

第1の実施形態にかかるバイオセンサの製造方法を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the manufacturing method of the biosensor concerning 1st Embodiment. 第1の実施形態にかかるバイオセンサを一方向から見た図である。It is the figure which looked at the biosensor concerning a 1st embodiment from one direction. バイオセンサによる対象物の質量測定方法について説明した図である。It is a figure explaining the mass measuring method of the target object by a biosensor. 実験例にかかるバイオセンサの性能を検証した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having verified the performance of the biosensor concerning an experiment example. 比較例にかかるバイオセンサの性能を検証した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having verified the performance of the biosensor concerning a comparative example.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳述する。但し、これらの実施形態はいずれも例示であり、本発明についての限定的解釈を与えるものではない。なお、図面において、同一の又は対応する部分については同一の符号を付すものとする。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, all of these embodiments are illustrative and do not give a limited interpretation of the present invention. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.

図1は、本実施形態にかかるバイオセンサの製造方法を模式的に示す図である。以下、その工程を順に説明する。なお、図1、及び後述する図2は、説明のためにバイオセンサの製造方法を模式的に示したものであって、これらの図に示した電極、第1の中間層、第2の中間層、及びハイドロキシアパタイト膜の形成位置や形成範囲等によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。   FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a method for manufacturing a biosensor according to the present embodiment. Hereafter, the process is demonstrated in order. FIG. 1 and FIG. 2 to be described later schematically show a biosensor manufacturing method for explanation, and the electrodes, the first intermediate layer, and the second intermediate shown in these drawings. The technical scope of the present invention is not limited by the formation position and formation range of the layer and the hydroxyapatite film.

(1)バイオセンサ準備工程
まず、図1(a)に示すように、バイオセンサ10を準備する。バイオセンサ10は、水晶振動子11の上に金からなる電極12を有し、電極12に吸着された測定対象物の質量を水晶振動子11の共振周波数の変化により測定するQCM型バイオセンサである。なお、電極12としては、金のほかに、白金やチタンなども用いることができるが、十分なセンサ精度を確保するには金を用いることが好ましい。
(1) Biosensor preparation process First, as shown to Fig.1 (a), the biosensor 10 is prepared. The biosensor 10 is a QCM type biosensor that has an electrode 12 made of gold on a crystal resonator 11 and measures the mass of a measurement object adsorbed on the electrode 12 by a change in the resonance frequency of the crystal resonator 11. is there. In addition to gold, platinum, titanium, or the like can be used as the electrode 12, but gold is preferably used to ensure sufficient sensor accuracy.

(2)第1の中間層形成工程
次に、図1(b)に示すように、バイオセンサ10の電極12の表面に第1の中間層13を形成する。第1の中間層13はチタンを含むため、金からなる電極12と安定的に結合する。なお、第1の中間層13は測定対象物を吸着させたい側の電極12にのみ形成すればよい。
(2) 1st intermediate | middle layer formation process Next, as shown in FIG.1 (b), the 1st intermediate | middle layer 13 is formed in the surface of the electrode 12 of the biosensor 10. FIG. Since the first intermediate layer 13 contains titanium, it is stably bonded to the electrode 12 made of gold. The first intermediate layer 13 may be formed only on the electrode 12 on the side where the measurement object is to be adsorbed.

第1の中間層13の形成方法としてはディップ法、スパッタリング法、プラズマ溶射法、レーザーアブレーション法等が例示されるが、緻密な膜を所望の膜厚で成膜でき、かつ大量生産に適しているという観点から、スパッタリング法を用いることが好ましい。   Examples of the method for forming the first intermediate layer 13 include a dipping method, a sputtering method, a plasma spraying method, a laser ablation method, and the like. A dense film can be formed with a desired film thickness and is suitable for mass production. From the viewpoint of being present, it is preferable to use a sputtering method.

また、第1の中間層13の膜厚は40〜50nmであることが好ましい。これより薄いと電極12と良好に結合しなかったり、その上に形成される第2の中間層14と良好に結合しないおそれがあり、これより厚いと水晶振動子11の共振に影響しセンサ精度が悪化するおそれがある。   Moreover, it is preferable that the film thickness of the 1st intermediate | middle layer 13 is 40-50 nm. If the thickness is smaller than this, the electrode 12 may not be coupled well or may not be coupled well with the second intermediate layer 14 formed thereon, and if it is thicker than this, the resonance of the crystal unit 11 is affected and the sensor accuracy is increased. May get worse.

なお、本明細書でいう「チタン」とは、純チタンだけではなく、酸化チタン、水素化チタンなどのチタン化合物や、主成分のチタンに、アルミニウム、クロム、ニッケルなどが添加されたチタン合金をも広く含むものとする。   In this specification, “titanium” is not only pure titanium but also titanium compounds such as titanium oxide and titanium hydride, and titanium alloys in which aluminum, chromium, nickel, etc. are added to the main component titanium. Is also widely included.

(3)第2の中間層形成工程
次に、図1(c)に示すように、第1の中間層13上に第2の中間層14を形成する。第2の中間層14はチタンがドープされたハイドロキシアパタイトからなり、第1の中間層14とハイドロキシアパタイト膜との密着性を向上させる。
(3) Second Intermediate Layer Formation Step Next, as shown in FIG. 1C, the second intermediate layer 14 is formed on the first intermediate layer 13. The second intermediate layer 14 is made of hydroxyapatite doped with titanium, and improves the adhesion between the first intermediate layer 14 and the hydroxyapatite film.

なお、第1の中間層13を構成するチタンは、金及びハイドロキシアパタイトの双方と結合性が良いため、第2の中間層14を形成せず、チタンからなる第1の中間層13のみを介してハイドロキシアパタイト膜15aを形成することも可能である。一方、チタンがドープされたハイドロキシアパタイトからなる第2の中間層14を、チタンからなる第1の中間層13とハイドロキシアパタイト膜15aの間に形成した場合は、第2の中間層14によって第1の中間層13とハイドロキシアパタイト15aをより良好に結合することが可能となるため、ハイドロキシアパタイト膜15aのクラックや剥離をより抑制でき、耐久性をより向上させることができる。また、センサの使用時におけるハイドロキシアパタイトの溶出も抑制でき、センサ精度が向上させることができる。   Since titanium constituting the first intermediate layer 13 has good bonding properties with both gold and hydroxyapatite, the second intermediate layer 14 is not formed, but only through the first intermediate layer 13 made of titanium. It is also possible to form the hydroxyapatite film 15a. On the other hand, when the second intermediate layer 14 made of hydroxyapatite doped with titanium is formed between the first intermediate layer 13 made of titanium and the hydroxyapatite film 15a, the second intermediate layer 14 makes the first Therefore, the intermediate layer 13 and the hydroxyapatite 15a can be bonded more favorably, so that cracking and peeling of the hydroxyapatite film 15a can be further suppressed and durability can be further improved. In addition, elution of hydroxyapatite during use of the sensor can be suppressed, and sensor accuracy can be improved.

第2の中間層14の形成方法としてはディップ法、スパッタリング法、プラズマ溶射法、レーザーアブレーション法等が例示されるが、緻密な膜を所望の膜厚で成膜でき、かつ大量生産に適しているという観点から、スパッタリング法を用いることが好ましい。   Examples of the method for forming the second intermediate layer 14 include a dipping method, a sputtering method, a plasma spraying method, and a laser ablation method. A dense film can be formed with a desired film thickness, and is suitable for mass production. From the viewpoint of being present, it is preferable to use a sputtering method.

第2の中間層14は、チタンとハイドロキシアパタイトを所定の割合で混合したターゲットを用いてスパッタリングすることにより形成することができる。ここで、第1の中間層13とハイドロキシアパタイト膜15aを良好に結合するという観点から、第2の中間層14におけるチタン原子に対するカルシウム原子の割合(Ca/Ti)は2.3〜2.5であることが好ましい。   The second intermediate layer 14 can be formed by sputtering using a target in which titanium and hydroxyapatite are mixed at a predetermined ratio. Here, from the viewpoint of satisfactorily bonding the first intermediate layer 13 and the hydroxyapatite film 15a, the ratio (Ca / Ti) of calcium atoms to titanium atoms in the second intermediate layer 14 is 2.3 to 2.5. It is preferable that

(4)ハイドロキシアパタイト膜形成工程
次に、図1(d)に示すように、第2の中間層14の上に、ハイドロキシアパタイト膜15aを形成する。なお、第1の中間層13や第2の中間層14がむき出しになると、第1の中間層13や第2の中間層14に測定対象物が吸着しセンサ精度が悪化する恐れがあるため、第1の中間層13上の略すべてに第2の中間層14が形成され、第2の中間層14上の略すべてにハイドロキシアパタイト膜15aが形成されることが好ましい。
(4) Hydroxyapatite Film Formation Step Next, as shown in FIG. 1 (d), a hydroxyapatite film 15 a is formed on the second intermediate layer 14. If the first intermediate layer 13 or the second intermediate layer 14 is exposed, the measurement object may be adsorbed on the first intermediate layer 13 or the second intermediate layer 14 and sensor accuracy may deteriorate. It is preferable that the second intermediate layer 14 is formed on almost all of the first intermediate layer 13, and the hydroxyapatite film 15 a is formed on almost all of the second intermediate layer 14.

ハイドロキシアパタイト膜15aの形成方法としてはディップ法、スパッタリング法、プラズマ溶射法、レーザーアブレーション法等が例示されるが、緻密で均一な膜を所望の膜厚で成膜でき、かつ大量生産に適しているという観点から、スパッタリング法を用いることが好ましい。なお、第1の中間層13、第2の中間層14、ハイドロキシアパタイト膜15aのすべてをスパッタリング法により形成する場合は、マルチチャンバ装置を用いることにより単一チャンバでの製造が可能となり、生産性を向上させることができる。   Examples of the method for forming the hydroxyapatite film 15a include a dipping method, a sputtering method, a plasma spraying method, and a laser ablation method. A dense and uniform film can be formed with a desired film thickness, and is suitable for mass production. From the viewpoint of being present, it is preferable to use a sputtering method. In the case where all of the first intermediate layer 13, the second intermediate layer 14, and the hydroxyapatite film 15a are formed by sputtering, it is possible to manufacture in a single chamber by using a multi-chamber apparatus, and productivity is increased. Can be improved.

スパッタリング法によるハイドロキシアパタイト膜15aの成膜条件として、以下のような条件を用いることができる。
・RFスパッタリング法
・スパッタリング圧力:0.06Pa
・スパッタリング電力:300W
上記条件によれば、成膜レート6.7nm/minでハイドロキシアパタイト膜15aを成膜することができた。
The following conditions can be used as conditions for forming the hydroxyapatite film 15a by sputtering.
・ RF sputtering method ・ Sputtering pressure: 0.06 Pa
・ Sputtering power: 300W
Under the above conditions, the hydroxyapatite film 15a could be formed at a film formation rate of 6.7 nm / min.

また、ハイドロキシアパタイト膜の膜厚は200nm〜400nmであることが好ましい。これより薄いと第2の中間層14と十分に結合せずクラックや剥離のおそれがあり、これより厚いと水晶振動子11の共振に影響しセンサ精度が悪化するおそれがある。   Moreover, it is preferable that the film thickness of a hydroxyapatite film | membrane is 200 nm-400 nm. If it is thinner than this, the second intermediate layer 14 will not be sufficiently bonded, and there is a risk of cracking or peeling. If it is thicker than this, the resonance of the crystal unit 11 will be affected and the sensor accuracy may be deteriorated.

なお、この時点においては、ハイドロキシアパタイト膜15aはアモルファス(非晶質)状態であり、また結晶化されていない。   At this point, the hydroxyapatite film 15a is in an amorphous state and is not crystallized.

(5)結晶化工程
次に、図1(d)に示すように、第2の中間層14上に形成されたハイドロキシアパタイト膜15aを結晶化させる。結晶化の方法としては、水熱処理や電気炉による加熱等が挙げられる。この結晶化工程により、それまでアモルファス(非晶質)状態だったハイドロキシアパタイトが結晶化される。ハイドロキシアパタイト膜を結晶化させると表面が帯電するため、測定対象物を吸着しやすくなる。このようにして、結晶化されたハイドロキシアパタイト膜15bにより電極12表面がコーティングされたバイオセンサ20を得ることができる。なお、電気炉による加熱で結晶化させるとバイオセンサが不安定になり十分な精度が得られない可能性があるため、水熱処理による結晶化が望ましい。
(5) Crystallization Step Next, as shown in FIG. 1D, the hydroxyapatite film 15a formed on the second intermediate layer 14 is crystallized. Examples of the crystallization method include hydrothermal treatment and heating with an electric furnace. By this crystallization process, hydroxyapatite that has been in an amorphous state is crystallized. When the hydroxyapatite film is crystallized, the surface is charged, so that the measurement object is easily adsorbed. Thus, the biosensor 20 in which the surface of the electrode 12 is coated with the crystallized hydroxyapatite film 15b can be obtained. Note that crystallization by hydrothermal treatment is desirable because crystallization by heating with an electric furnace may make the biosensor unstable and may not provide sufficient accuracy.

以上のように製造されたバイオセンサ20によれば、電極12表面が多くの化学物質に対して極めて高い吸着能力を持つハイドロキシアパタイト膜15bでコーティングされているため、少量の物質でも適切に吸着させることができ、各種ガス、イオン、アルコール、酵素、タンパク質、DNA等の測定において、センサの検出精度を向上させることができる。特に、ハイドロキシアパタイトは生体親和性に優れ、骨や歯の主要構成物質であるため、バイオセンサ20を骨質シミュレータや歯質シミュレータとして用いることができる。   According to the biosensor 20 manufactured as described above, since the surface of the electrode 12 is coated with the hydroxyapatite film 15b having an extremely high adsorption ability with respect to many chemical substances, even a small amount of substance is appropriately adsorbed. In the measurement of various gases, ions, alcohols, enzymes, proteins, DNA, etc., the detection accuracy of the sensor can be improved. In particular, since hydroxyapatite is excellent in biocompatibility and is a main constituent material of bone and teeth, the biosensor 20 can be used as a bone quality simulator or a tooth quality simulator.

さらに、ハイドロキシアパタイト膜15bは、第1の中間層13及び第2の中間層14を介して電極12上に形成される。ここで、第1の中間層13は、金やハイドロキシアパタイトと結合性が良いチタンからなり、第2の中間層14は、第1の中間層13とハイドロキシアパタイト膜15bを良好に結合するチタンがドープされたハイドロキシアパタイトからなるため、ハイドロキシアパタイト膜15bは電極12の表面に強固に結合され、クラックや剥離を防止できるとともに、ハイドロキシアパタイト膜15bの耐久性を向上させることができる。加えて、センサ使用時におけるハイドロキシアパタイトの溶出も抑制できるため、センサ精度を向上させることができる。   Further, the hydroxyapatite film 15 b is formed on the electrode 12 via the first intermediate layer 13 and the second intermediate layer 14. Here, the first intermediate layer 13 is made of titanium having a good bondability with gold or hydroxyapatite, and the second intermediate layer 14 is made of titanium that bonds the first intermediate layer 13 and the hydroxyapatite film 15b well. Since it is made of doped hydroxyapatite, the hydroxyapatite film 15b is firmly bonded to the surface of the electrode 12, which can prevent cracks and peeling and improve the durability of the hydroxyapatite film 15b. In addition, since the elution of hydroxyapatite when using the sensor can be suppressed, the sensor accuracy can be improved.

また、上記に説明したバイオセンサの製造方法によれば、第1の中間層13、第2の中間層14、及びハイドロキシアパタイト膜15aをスパッタリング法により成膜するため、緻密な膜を所望の膜厚で形成できる。これにより、水晶振動子の共振に悪影響を与えることのない所望の膜厚を有した第1の中間層13、第2の中間層14、及びハイドロキシアパタイト膜15aを形成でき、センサ精度の悪化を防止できる。また、スパッタリング法は大量生産に適しているため、バイオセンサ20の生産性を向上させることができる。   In addition, according to the biosensor manufacturing method described above, the first intermediate layer 13, the second intermediate layer 14, and the hydroxyapatite film 15a are formed by the sputtering method. Can be formed with a thickness. As a result, the first intermediate layer 13, the second intermediate layer 14, and the hydroxyapatite film 15a having desired film thicknesses that do not adversely affect the resonance of the crystal resonator can be formed. Can be prevented. Moreover, since the sputtering method is suitable for mass production, the productivity of the biosensor 20 can be improved.

図2は、上述の製造方法により製造されたバイオセンサ20を一方向から見た図である。バイオセンサ20は、水晶振動子11の両面に電極12a、12bを備える。第1の中間層13、第2の中間層14、及び結晶化されたハイドロキシアパタイト膜15bは、少なくとも一方の電極表面上に形成される。ハイドロキシアパタイト膜15bは、第1の中間層13、第2の中間層14を介して形成されるため、バイオセンサ20の電極12表面はハイドロキシアパタイト膜15bにより良好にコーティングされる。   FIG. 2 is a view of the biosensor 20 manufactured by the above-described manufacturing method as seen from one direction. The biosensor 20 includes electrodes 12 a and 12 b on both surfaces of the crystal unit 11. The first intermediate layer 13, the second intermediate layer 14, and the crystallized hydroxyapatite film 15b are formed on at least one electrode surface. Since the hydroxyapatite film 15b is formed through the first intermediate layer 13 and the second intermediate layer 14, the surface of the electrode 12 of the biosensor 20 is well coated with the hydroxyapatite film 15b.

(測定方法)
上述の製造方法により製造されたバイオセンサ20による対象物の質量測定方法について、図3を用いて説明する。
(Measuring method)
A method for measuring the mass of an object by the biosensor 20 manufactured by the above-described manufacturing method will be described with reference to FIG.

水晶振動子11の電極12に、電源、発振回路等(図示せず)を用いて交流電圧を印加すると、圧電効果により水晶振動子11が共振振動する。測定対象物を電極12表面に滴下する前に、この時点(図3中のa点)における水晶振動子11の共振周波数f1を測定しておく。   When an AC voltage is applied to the electrode 12 of the crystal resonator 11 using a power source, an oscillation circuit or the like (not shown), the crystal resonator 11 resonates due to the piezoelectric effect. Before dropping the object to be measured on the surface of the electrode 12, the resonance frequency f1 of the quartz crystal resonator 11 at this time (point a in FIG. 3) is measured.

次に、測定対象物を電極12表面に滴下し吸着させると、図3に示すように、吸着量に応じて水晶振動子11の共振周波数が低下する。ある時間が経過すると、水晶振動子11の共振周波数が収束するので、この時点(図3中のb点)における共振周波数f2を測定する。   Next, when the measurement object is dropped onto the surface of the electrode 12 and is adsorbed, the resonance frequency of the crystal unit 11 is lowered according to the amount of adsorption as shown in FIG. When a certain time elapses, the resonance frequency of the crystal unit 11 converges, so the resonance frequency f2 at this point (point b in FIG. 3) is measured.

電極表面の質量変化と水晶振動子の共振周波数との関係は、下記の式により表される。
[式1] Sauerbreyの式

Figure 0006280877
ΔF:共振周波数変化量
F:水晶振動子の固有周波数
A:電極の表面積
Δm:電極表面の質量変化量
The relationship between the change in the mass of the electrode surface and the resonance frequency of the crystal resonator is expressed by the following equation.
[Formula 1] Sauerbrey's formula
Figure 0006280877
ΔF: Resonance frequency change amount F: Natural frequency of crystal resonator A: Surface area of electrode Δm: Change amount of mass on electrode surface

そこで、電極12表面への測定対象物の吸着により生じた水晶振動子11の共振周波数変化量Δf(f2−f1)を用い、前述のSauerbreyの式によって電極12表面の質量変化量Δmを求める。これにより、電極12表面に吸着された測定対象物の質量を測定することができる。   Accordingly, the mass change amount Δm of the surface of the electrode 12 is obtained by the above-described Sauerbrey equation using the resonance frequency change amount Δf (f2−f1) of the crystal unit 11 generated by the adsorption of the measurement object to the surface of the electrode 12. Thereby, the mass of the measuring object adsorbed on the electrode 12 surface can be measured.

なお、測定対象物のpHを調整し安定な測定条件とするために、測定対象物の滴下前に、緩衝溶液を電極12表面に滴下してもよい。緩衝溶液として、HEPES緩衝液、PBS緩衝液、CAPS緩衝液、TRIS緩衝液等が挙げられる。   In addition, in order to adjust the pH of the measurement object to obtain a stable measurement condition, a buffer solution may be dropped on the surface of the electrode 12 before the measurement object is dropped. Examples of the buffer solution include HEPES buffer solution, PBS buffer solution, CAPS buffer solution, TRIS buffer solution and the like.

緩衝溶液を用いる場合には、緩衝溶液の滴下によっても水晶振動子11の共振周波数は変化するため、この周波数変動が収束してから測定対象物を滴下するようにし、水晶振動子11の共振周波数変化量ΔFは、緩衝溶液を滴下した後に収束した共振周波数(f1)を、測定対象物を滴下した後に収束した共振周波数(f2)から差し引くことにより求める。このΔFを前述のSauerbrey式を用いて電極12表面の質量変化量Δmを求めれば、電極12表面に吸着された測定対象物の質量を測定することができる。   When a buffer solution is used, the resonance frequency of the crystal unit 11 is changed even when the buffer solution is dropped. Therefore, the object to be measured is dropped after the frequency fluctuation converges, and the resonance frequency of the crystal unit 11 is reduced. The change amount ΔF is obtained by subtracting the resonance frequency (f1) converged after dropping the buffer solution from the resonance frequency (f2) converged after dropping the measurement object. If this ΔF is used to determine the mass change amount Δm on the surface of the electrode 12 using the Sauerbrey equation, the mass of the measurement object adsorbed on the surface of the electrode 12 can be measured.

(実験例)
本実験例では、金からなる電極上に、チタンからなる第1の中間層、及びチタンがドープされたハイドロキシアパタイトからなる第2の中間層を介してハイドロキシアパタイト膜が形成されたバイオセンサを製作し、その性能を検証した。その結果を図4に示す。
(Experimental example)
In this experimental example, a biosensor in which a hydroxyapatite film is formed on a gold electrode through a first intermediate layer made of titanium and a second intermediate layer made of hydroxyapatite doped with titanium is manufactured. The performance was verified. The result is shown in FIG.

なお、本実験例における第1の中間層、第2の中間層、ハイドロキシアパタイト膜はいずれもスパッタリング法により形成した。また、第2の中間層は、4インチのハイドロキシアパタイトのターゲット上に、それよりも小さいチタンのチップ(大きさ5mm×5mm×1mm)を10個一様に配置し、これらを同時にスパッタリングすることによって形成した。   The first intermediate layer, the second intermediate layer, and the hydroxyapatite film in this experimental example were all formed by sputtering. The second intermediate layer is formed by uniformly arranging ten smaller titanium chips (size 5 mm × 5 mm × 1 mm) on a 4-inch hydroxyapatite target and sputtering them simultaneously. Formed by.

図4(a)は、ハイドロキシアパタイト膜のX線回折解析結果を示したものである。X線回折解析にはX線回折装置(株式会社島津製作所社製、型番XRD−6100)を用いた。2θ=32°付近にピークが確認され、ハイドロキシアパタイトが結晶化していることが確認された。   FIG. 4A shows the X-ray diffraction analysis result of the hydroxyapatite film. An X-ray diffractometer (manufactured by Shimadzu Corporation, model number XRD-6100) was used for the X-ray diffraction analysis. A peak was confirmed around 2θ = 32 °, and it was confirmed that hydroxyapatite was crystallized.

図4(b)は、測定対象物を電極表面に滴下した場合の水晶振動子の周波数変化を示したものである。なお、測定対象物の滴下は、電極上に緩衝溶液としてHEPES緩衝液を滴下し水晶振動子の周波数変動が収束した後に行った。   FIG. 4B shows the frequency change of the crystal resonator when the measurement object is dropped on the electrode surface. The measurement object was dropped after the HEPES buffer solution was dropped on the electrode as a buffer solution and the frequency fluctuation of the crystal unit was converged.

同図に示すように、測定対象物としてアルブミンを5ul滴下すると、水晶振動子の周波数が約420Hz変動した。この周波数変動量Δfを上述した数式1を用いて電極上の質量変動量Δmに変換すると約260ngとなる。   As shown in the figure, when 5 ul of albumin was dropped as an object to be measured, the frequency of the crystal resonator varied by about 420 Hz. When this frequency fluctuation amount Δf is converted into the mass fluctuation amount Δm on the electrode using the above-described equation 1, it becomes about 260 ng.

(比較例)
なお、比較例として、金からなる電極上に、酸化亜鉛からなる中間層を介してハイドロキシアパタイト膜が形成されたバイオセンサを製作し、その性能を検証した。その結果を図5に示す。なお、酸化亜鉛からなる中間層、及びハイドロキシアパタイト膜は、いずれもスパッタリング法により形成した。
(Comparative example)
As a comparative example, a biosensor in which a hydroxyapatite film was formed on an electrode made of gold via an intermediate layer made of zinc oxide was manufactured, and its performance was verified. The result is shown in FIG. The intermediate layer made of zinc oxide and the hydroxyapatite film were both formed by sputtering.

図5に示すように、酸化亜鉛からなる中間層を備えたバイオセンサの電極上に緩衝溶液(HEPES)を滴下したところ、水晶振動子の周波数が急上昇した。これは緩衝溶液の滴下によって電極をコーティングするハイドロキシアパタイトが溶出したものと考えられ、中間層に酸化亜鉛を用いたバイオセンサにおいてはハイドロキシアパタイト膜の密着性が十分ではないことに起因すると考えられる。よって、中間層に酸化亜鉛を用いた構成ではセンサ精度を確保できないことが確認された。   As shown in FIG. 5, when a buffer solution (HEPES) was dropped on the electrode of a biosensor provided with an intermediate layer made of zinc oxide, the frequency of the crystal resonator rapidly increased. This is considered to be due to the elution of hydroxyapatite that coats the electrode by the dropping of the buffer solution, and in the biosensor using zinc oxide in the intermediate layer, the adhesion of the hydroxyapatite film is not sufficient. Therefore, it was confirmed that the sensor accuracy could not be secured with the configuration using zinc oxide in the intermediate layer.

10,20 バイオセンサ
11 水晶振動子
12(12a,12b) 電極
13 第1の中間層
14 第2の中間層
15a ハイドロキシアパタイト膜(アモルファス状態)
15b ハイドロキシアパタイト膜(結晶状態)
10, 20 Biosensor 11 Crystal resonator 12 (12a, 12b) Electrode 13 First intermediate layer 14 Second intermediate layer 15a Hydroxyapatite film (amorphous state)
15b Hydroxyapatite film (crystalline state)

Claims (11)

水晶振動子上に金からなる電極を有し、前記電極上に吸着された対象物の質量を測定するバイオセンサであって、
前記電極の表面上に、チタンを含む第1の中間層と、
前記第1の中間層上に、チタンがドープされたハイドロキシアパタイトからなる第2の中間層と、
前記第2の中間層上に、結晶化されたハイドロキシアパタイト膜と、を備える
バイオセンサ。
A biosensor having an electrode made of gold on a crystal resonator and measuring the mass of an object adsorbed on the electrode,
A first intermediate layer comprising titanium on a surface of the electrode;
A second intermediate layer made of hydroxyapatite doped with titanium on the first intermediate layer;
A biosensor comprising a crystallized hydroxyapatite film on the second intermediate layer.
前記ハイドロキシアパタイト膜の膜厚は200nm〜400nmである、
請求項1に記載のバイオセンサ。
The hydroxyapatite film has a thickness of 200 nm to 400 nm.
The biosensor according to claim 1.
前記第1の中間層の膜厚は40〜50nmである、
請求項1または2に記載のバイオセンサ。
The film thickness of the first intermediate layer is 40 to 50 nm.
The biosensor according to claim 1 or 2.
前記第2の中間層の膜厚は20〜50nmである
請求項1〜3のいずれか1項に記載のバイオセンサ。
The biosensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the thickness of the second intermediate layer is 20 to 50 nm.
前記チタンがドープされたハイドロキシアパタイトにおけるチタン原子に対するカルシウム原子の割合は2.3〜2.5である
請求項1〜4のいずれか1項に記載のバイオセンサ。
The biosensor according to any one of claims 1 to 4, wherein a ratio of calcium atoms to titanium atoms in the hydroxyapatite doped with titanium is 2.3 to 2.5.
水晶振動子上に金からなる電極を有し、前記電極上に吸着された対象物の質量を測定するバイオセンサを準備する工程と、
前記電極上に、チタンを含む第1の中間層を形成する工程と、
前記第1の中間層上に、チタンがドープされたハイドロキシアパタイトからなる第2の中間層を形成する工程と、
前記第2の中間層上に、ハイドロキシアパタイト膜を形成する工程と、
前記ハイドロキシアパタイト膜を結晶化させる工程と、を備える
バイオセンサの製造方法。
Preparing a biosensor for measuring the mass of an object adsorbed on the electrode having gold electrodes on a crystal resonator; and
Forming a first intermediate layer containing titanium on the electrode;
Forming a second intermediate layer made of hydroxyapatite doped with titanium on the first intermediate layer;
Forming a hydroxyapatite film on the second intermediate layer;
And a step of crystallizing the hydroxyapatite film.
前記ハイドロキシアパタイト膜は、スパッタリング法により形成される、
請求項6に記載のバイオセンサの製造方法。
The hydroxyapatite film is formed by a sputtering method.
A method for producing the biosensor according to claim 6.
前記ハイドロキシアパタイト膜の膜厚は200nm〜400nmである、
請求項6または7に記載バイオセンサの製造方法。
The hydroxyapatite film has a thickness of 200 nm to 400 nm.
The method for producing a biosensor according to claim 6 or 7.
前記第1の中間層の膜厚は40〜50nmである、
請求項6〜8のいずれか1項に記載のバイオセンサの製造方法。
The film thickness of the first intermediate layer is 40 to 50 nm.
The manufacturing method of the biosensor of any one of Claims 6-8.
前記第2の中間層の膜厚は20〜50nmである
請求項6〜9のいずれか1項に記載のバイオセンサの製造方法。
The biosensor manufacturing method according to claim 6, wherein the second intermediate layer has a thickness of 20 to 50 nm.
前記チタンがドープされたハイドロキシアパタイトにおけるチタン原子に対するカルシウム原子の割合は2.3〜2.5である
請求項6〜10のいずれか1項に記載のバイオセンサの製造方法。
The method for producing a biosensor according to any one of claims 6 to 10, wherein a ratio of calcium atoms to titanium atoms in the hydroxyapatite doped with titanium is 2.3 to 2.5.
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