JP6824527B2 - Devices for virus and bacteria detection biosensors, and biosensors - Google Patents

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Description

本発明は、ウィルスおよび細菌検出バイオセンサ用デバイス、及びバイオセンサに関する。 The present invention relates to devices for virus and bacterium detection biosensors, and biosensors.

感染症は社会的な問題であり、その克服には、感染したか否かの迅速な判断が要求される。
ウィルスや細菌に感染したか否かを迅速にモニタリングする方法として、バイオセンサを用いる方法がある。バイオセンサには、より高感度でかつ多くの種類のウィルス又は細菌等を容易にモニタリングする能力が求められる。
インフルエンザウィルスのモニタリング技術に関しては、例えば、動物の健康状態をモニタリングすることによって間接的にインフルエンザウィルスを検出する方法(特開2012−242250号公報)が報告されている。また、インフルエンザウィルスを捕捉する手段によって検出する方法として、インフルエンザウィルスに対する抗体を用いた検出方法(特開2014−038115号公報、特開2007−261988号公報、特開2014−095720号公報、特開2013−174607号公報、Bioses.Bioelectron.2015,65,211−219)も報告されている。
一方、インフルエンザウィルスのヘマグルチニンを検出する手段として電界効果型トランジスタのゲート絶縁膜に、オリゴ糖を固定化したデバイスを用いた検出方法(Anal.Chem.2013,85,5641−5644)も報告されている。
Infectious diseases are a social problem, and overcoming them requires prompt judgment as to whether or not they have been infected.
As a method of quickly monitoring whether or not a person is infected with a virus or a bacterium, there is a method using a biosensor. Biosensors are required to have higher sensitivity and the ability to easily monitor many types of viruses or bacteria.
Regarding the influenza virus monitoring technique, for example, a method of indirectly detecting an influenza virus by monitoring the health condition of an animal (Japanese Patent Laid-Open No. 2012-242250) has been reported. Further, as a method for detecting by means for capturing influenza virus, a detection method using an antibody against influenza virus (Japanese Patent Laid-Open No. 2014-038115, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-261988, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-095720, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-174607, Bioses. Bioelectron. 2015, 65, 211-219) has also been reported.
On the other hand, as a means for detecting hemagglutinin of influenza virus, a detection method using a device in which an oligosaccharide is immobilized on a gate insulating film of a field-effect transistor (Anal. Chem. 2013, 85, 5641-5644) has also been reported. There is.

オリゴ糖をウィルス又は細菌の検出手段に用いることは、標的となるウィルス又は細菌を選択的に検出できることが予想される上に、オリゴ糖は抗体よりも安価に供給できるという利点がある。また、上記のインフルエンザ以外のウィルスや細菌を検出できるセンサの開発も望まれる。 The use of oligosaccharides as a means for detecting viruses or bacteria has the advantage that it is expected that the target virus or bacterium can be selectively detected, and that oligosaccharides can be supplied at a lower cost than antibodies. It is also desired to develop a sensor capable of detecting viruses and bacteria other than the above-mentioned influenza.

そこで、本発明では、ウィルス又は細菌を選択的かつ高感度に検出するバイオセンサ用デバイス及びバイオセンサの提供を課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a biosensor device and a biosensor that selectively and highly sensitively detect a virus or a bacterium.

課題を解決するための具体的手段には、以下の形態が含まれる。
<1>導電層と、特定のウィルス又は細菌を選択的に捕捉するオリゴ糖と、前記導電層と前記オリゴ糖とを結合する中間層と、を有するバイオセンサ用デバイス。
<2>前記中間層は、自己組織化単分子膜である<1>に記載のバイオセンサ用デバイス。
<3>前記自己組織化単分子膜は、前記導電層にチオール基で固定されたチオール化合物で形成されている<2>に記載のバイオセンサ用デバイス。
<4>前記自己組織化単分子膜は、オキシルアミノ基またはヒドラジド基を有するチオール化合物を含む<3>に記載のバイオセンサ用デバイス。
<5>前記中間層は、導電性高分子を含む<1>に記載のバイオセンサ用デバイス。
<6>前記導電性高分子が、ポリチオフェン系導電性ポリマー、ポリフェニレン系導電性ポリマー、ポリピロール系導電性ポリマー、ポリアニリン系導電性ポリマー、ポリフルオレン系導電性ポリマーおよびポリインドール系導電性ポリマーからなる群より選択される少なくとも1つである、<5>に記載のバイオセンサ用デバイス。
<7>前記導電性高分子が、ポリチオフェン系導電性ポリマーである<5>に記載のバイオセンサ用デバイス。
<8>前記導電性高分子が、オキシルアミノ基またはヒドラジド基を有する、<5>〜<7>のいずれか1つに記載のバイオセンサ用デバイス。
<9>前記導電性高分子が、(A)オキシルアミノ基またはヒドラジド基の少なくとも1つと、(B)チエニル基、フェニル基、ピロール基、アニリル基、フルオレン基およびインドール基からなる群より選択される少なくとも1つと、を含むモノマーから形成される構造単位を含む、<6>に記載のバイオセンサ用デバイス。
<10>前記導電性高分子が電解重合法または酸化重合法によって形成される、<5>〜<9>のいずれか1つに記載のバイオセンサ用デバイス。
<11>前記オリゴ糖は、特定のインフルエンザウィルスを選択的に捕捉するオリゴ糖である<1>〜<10>のいずれか1つに記載のバイオセンサ用デバイス。
<12>前記導電層が、電界効果トランジスタのゲート電極又は前記ゲート電極と電気的に接続されている電極である<1>〜<11>のいずれか1つに記載のバイオセンサ用デバイス。
<13><1>〜<12>のいずれか1つに記載のバイオセンサ用デバイスを備えたバイオセンサ。
<14><1>〜<13>のいずれか1つに記載のバイオセンサ用デバイスを複数備え、それぞれのバイオセンサ用デバイスの前記オリゴ糖が、互いに異なった特定のウィルス又は細菌を選択的に捕捉するオリゴ糖である<13>に記載のバイオセンサ。
<15>少なくとも一つのバイオセンサ用デバイスの前記オリゴ糖がシアル酸残基を含む<13>又は<14>に記載のバイオセンサ。
<16>電位、振動数及び屈折率から選択されるいずれか一つの変化に基いてウィルス又は細菌を検出する<13>〜<15>のいずれか1つに記載のバイオセンサ。
Specific means for solving the problem include the following forms.
<1> A device for a biosensor having a conductive layer, an oligosaccharide that selectively captures a specific virus or bacterium, and an intermediate layer that binds the conductive layer and the oligosaccharide.
<2> The biosensor device according to <1>, wherein the intermediate layer is a self-assembled monolayer.
<3> The biosensor device according to <2>, wherein the self-assembled monolayer is formed of a thiol compound immobilized on the conductive layer with a thiol group.
<4> The biosensor device according to <3>, wherein the self-assembled monolayer contains a thiol compound having an oxylamino group or a hydrazide group.
<5> The biosensor device according to <1>, wherein the intermediate layer contains a conductive polymer.
<6> A group in which the conductive polymer is composed of a polythiophene-based conductive polymer, a polyphenylene-based conductive polymer, a polypyrrole-based conductive polymer, a polyaniline-based conductive polymer, a polyfluorene-based conductive polymer, and a polyindole-based conductive polymer. The biosensor device according to <5>, which is at least one selected from the above.
<7> The biosensor device according to <5>, wherein the conductive polymer is a polythiophene-based conductive polymer.
<8> The device for a biosensor according to any one of <5> to <7>, wherein the conductive polymer has an oxylamino group or a hydrazide group.
<9> The conductive polymer is selected from the group consisting of (A) at least one of an oxylamino group or a hydrazide group and (B) a thienyl group, a phenyl group, a pyrrol group, an aniryl group, a fluorene group and an indol group. The device for a biosensor according to <6>, which comprises a structural unit formed from a monomer containing at least one of the above.
<10> The biosensor device according to any one of <5> to <9>, wherein the conductive polymer is formed by an electrolytic polymerization method or an oxidative polymerization method.
<11> The biosensor device according to any one of <1> to <10>, wherein the oligosaccharide is an oligosaccharide that selectively captures a specific influenza virus.
<12> The biosensor device according to any one of <1> to <11>, wherein the conductive layer is a gate electrode of a field effect transistor or an electrode electrically connected to the gate electrode.
<13> A biosensor including the biosensor device according to any one of <1> to <12>.
<14> A plurality of biosensor devices according to any one of <1> to <13> are provided, and the oligosaccharides of the biosensor devices selectively select specific viruses or bacteria different from each other. The biosensor according to <13>, which is an oligosaccharide to be captured.
<15> The biosensor according to <13> or <14>, wherein the oligosaccharide of at least one biosensor device contains a sialic acid residue.
<16> The biosensor according to any one of <13> to <15>, which detects a virus or a bacterium based on any one change selected from an electric potential, a frequency, and a refractive index.

本発明によれば、ウィルス又は細菌を選択的かつ高感度に検出するバイオセンサ用デバイス及びバイオセンサを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a device for a biosensor and a biosensor that selectively and highly sensitively detect a virus or a bacterium.

本発明の第1実施形態に係るバイオセンサ用デバイス及びFETバイオセンサの構成例を示す模式図である。(A)は、オリゴ糖が結合しているSAMを固定化した電極の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the biosensor device and FET biosensor which concerns on 1st Embodiment of this invention. (A) is a schematic diagram showing a configuration example of an electrode on which an oligosaccharide-bound SAM is immobilized. 本発明の第1実施形態に係るバイオセンサ用デバイス及びFETバイオセンサの構成例を示す模式図である。(B)は、フローティングゲート型の電極を備えたFETバイオセンサの構成例を示す側面模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the biosensor device and FET biosensor which concerns on 1st Embodiment of this invention. (B) is a side schematic view showing a configuration example of a FET biosensor provided with a floating gate type electrode. 本発明の第1実施形態に係るバイオセンサの構成例を示す摸式的斜視図であり、延長ゲート型の電極を備えたFETバイオセンサの構成例を示す摸式的斜視図である。It is a typical perspective view which shows the structural example of the biosensor which concerns on 1st Embodiment of this invention, and is the typical perspective view which shows the structural example of the FET biosensor provided with the extension gate type electrode. (A)は、本発明の第1実施形態に係るバイオセンサ用デバイスと、演算増幅器を有するFETとを備えたFETバイオセンサの概略平面及び電気回路図である。(A) is a schematic plane and an electric circuit diagram of a FET biosensor including a biosensor device according to the first embodiment of the present invention and an FET having an operational amplifier. (B)は、本発明の第1実施形態に係るバイオセンサ用デバイスを、演算増幅器、差動増幅器、増幅回路及び位相補償キャパシタを有するFETに組み合わせたFETバイオセンサの電気回路図である。(B) is an electric circuit diagram of an FET biosensor in which the device for a biosensor according to the first embodiment of the present invention is combined with an FET having an operational amplifier, a differential amplifier, an amplifier circuit and a phase compensation capacitor. 本発明の第2実施形態に係るQCMバイオセンサの構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the QCM biosensor which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係るSPRバイオセンサの構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the SPR biosensor which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明のバイオセンサ用デバイスの作製方法の一例を示した模式図である。It is a schematic diagram which showed an example of the manufacturing method of the device for a biosensor of this invention. 参照電極を備えたFETバイオセンサで測定されたインフルエンザウィルスの、計測時間に対する電位を示すグラフである。It is a graph which shows the potential with respect to the measurement time of the influenza virus measured by the FET biosensor provided with the reference electrode. (A)は、対照1で用いた、α2,3−シアリルラクトースを有するバイオセンサ用デバイスを備えたFETバイオセンサで測定されたA型インフルエンザウィルスの、計測時間に対する表面電位を示すグラフである。(A) is a graph showing the surface potential of influenza A virus measured by the FET biosensor equipped with the biosensor device having α2,3-sialyllactose used in Control 1 with respect to the measurement time. (B)は、実施例1で用いた、α2,6−シアリルラクトースを有するバイオセンサ用デバイスを備えたFETバイオセンサで測定されたA型インフルエンザウィルスの、計測時間に対する電位を示すグラフである。(B) is a graph showing the potential of influenza A virus measured by the FET biosensor equipped with the biosensor device having α2,6-sialyllactose used in Example 1 with respect to the measurement time. 実施例及び対照で得られた電位と、参照電極を備えたFETバイオセンサによる測定によって得られた電位との差を、それぞれA型インフルエンザウィルスの濃度に対して示したグラフである。(A)実施例1及び対照1での初期の電位が高い場合のグラフである。3 is a graph showing the difference between the potentials obtained in Examples and Controls and the potentials obtained by measurement with a FET biosensor equipped with a reference electrode with respect to the concentration of influenza A virus, respectively. (A) It is a graph when the initial potential in Example 1 and control 1 is high. 実施例及び対照で得られた電位と、参照電極を備えたFETバイオセンサによる測定によって得られた電位との差を、それぞれA型インフルエンザウィルスの濃度に対して示したグラフである。(B)実施例1及び対照1での初期の電位が小さい場合のグラフである。3 is a graph showing the difference between the potentials obtained in Examples and Controls and the potentials obtained by measurement with a FET biosensor equipped with a reference electrode with respect to the concentration of influenza A virus, respectively. (B) It is a graph when the initial potential in Example 1 and control 1 is small. QCMバイオセンサで測定されたA型インフルエンザウィルスの、計測時間に対する共振周波数の差(ΔFrequency(Hz))の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the difference (ΔFrequency (Hz)) of the resonance frequency with respect to the measurement time of the influenza A virus measured by the QCM biosensor. 各割合でのEDOTAOモノマーの電解重合プロセスのキャパシタンスの変化と膜厚の変化を示す図である。(a)〜(e)サイクリックボルタンモグラム:10 mMモノマー(EDOTに対するEDOTAOが、0mol%(a)、 25mol%(b)、50mol%(c)、75mol%(d)、100mol%(e))水溶液、ドーパンドは100mM NaClO。カウンター電極、Pt;参照電極は、Ag/AgCl(in 3.3M KCl aq); スキャンレート、0.1V s−1。(f):各EDOTAO割合での電解重合プロセスで、サイクルの変化に対するキャパシタンスの変化。It is a figure which shows the change of the capacitance and the change of the film thickness of the electrolytic polymerization process of the EDOTAO monomer at each ratio. (A)-(e) Cyclic voltanmogram: 10 mM monomer (EDOTAO relative to EDOT is 0 mol% (a), 25 mol% (b), 50 mol% (c), 75 mol% (d), 100 mol% (e). )) Aqueous solution, dopand is 100 mM NaClO 4 . Counter electrode, Pt; Reference electrode is Ag / AgCl (in 3.3M KCl aq); Scan rate, 0.1V s -1 . (F): Change in capacitance with respect to change in cycle in the electrolytic polymerization process at each EDOTAO ratio. (g)〜(l): Au電極表面に、EDOTに対するEDOTAOモノマー0mol%(g)、25mol%(h)、50mol%(i)、75mol%(j)および100mol%(l)を10サイクル電解重合した時の膜厚の変化、ドーパンドは100mM NaClO。表示のデータは平均値±標準誤差;n=3。(G)-(l): EDOTAO monomer 0 mol% (g), 25 mol% (h), 50 mol% (i), 75 mol% (j) and 100 mol% (l) with respect to EDOT are electrolyzed on the Au electrode surface for 10 cycles. Change in film thickness during polymerization, dopanda is 100 mM NaClO 4 . The displayed data is mean ± standard error; n = 3. XPS高分解スペクトルを示す図である。(a)N1sと(b)S2p: Au電極表面にEDOTに対するEDOTAOが0mol%、25mol%、および、50mol%のモノマーを、それぞれ電解重合した。ドーパントは100mM NaClO。EDOTAOの供給量とEDOTAOの理論導入率及び実際導入量の関係(c)。 表示のデータは平均値±標準誤差;n=4。It is a figure which shows the XPS high resolution spectrum. (A) N1s and (b) S2p: Monomers having 0 mol%, 25 mol%, and 50 mol% of EDOTAO with respect to EDOT were electropolymerized on the surface of the Au electrode, respectively. The dopant is 100 mM NaClO 4 . Relationship between the supply amount of EDOTAO, the theoretical introduction rate of EDOTAO, and the actual introduction amount (c). The displayed data is mean ± standard error; n = 4. ガラス電極上の導電性コポリマーの低インピーダンス表面を示す図である。(a)導電性コポリマー膜のナイキストプロット、差し込み図は高周波数領域のナイキストプロットなる。測定溶液は5mM ferricyanide/ferrocyanideのバッファー溶液(0.01 DPBS、pH7.4)、カウンター電極、 Pt;参照電極は、Ag/AgCl in (in 3.3M KCl aq); DC バイアス、0.18V;AC増幅、50mV;AC 周波数領域、10kHz〜0.1Hz。It is a figure which shows the low impedance surface of the conductive copolymer on the glass electrode. (A) Nyquist plot of conductive copolymer film, inset is Nyquist plot in high frequency domain. The measurement solution is a 5 mM ferricyanide / ferricyanide buffer solution (0.01 DPBS, pH 7.4), counter electrode, Pt; the reference electrode is Ag / AgCl in (in 3.3 M KCl aq); DC bias, 0.18 V; AC amplification, 50 mV; AC frequency domain, 10 kHz to 0.1 Hz. (b)EDOTAOの供給量に対しCPE(constant phase element)電荷移動抵抗(Rct)の変化を示した。Randle’s の等価回路を用いてフィッティングした(差し込み図)。表示のデータは平均値±標準誤差;n=3。(B) The change in CPE (constant phase element) charge transfer resistance (Rct) with respect to the supply amount of EDOTAO was shown. Fitting was performed using the equivalent circuit of Randle's (insertion diagram). The displayed data is mean ± standard error; n = 3. 水滴接触角計による親水性の評価を示す図である。(a):糖鎖導入前の導電性ポリマーの接触角。It is a figure which shows the evaluation of hydrophilicity by a water drop contact angle meter. (A): Contact angle of the conductive polymer before the introduction of the sugar chain. 水滴接触角計による親水性の評価を示す図である。(b):糖鎖導入後の導電性ポリマーの接触角。It is a figure which shows the evaluation of hydrophilicity by a water drop contact angle meter. (B): Contact angle of the conductive polymer after the introduction of the sugar chain. 水滴接触角計による親水性の評価を示す図である。(c):糖鎖導入前と後のQCMセンサ表面の重さの変化。表示のデータは平均値±標準誤差;n=3。It is a figure which shows the evaluation of hydrophilicity by a water drop contact angle meter. (C): Change in weight of the QCM sensor surface before and after the introduction of the sugar chain. The displayed data is mean ± standard error; n = 3. QCMセンサによるインフルエンザウィルス(H1N1)の特異的検出を示す図である。(a)は、様々なインフルエンザウィルスの濃度における、2,6−シアリルラクトース糖鎖または2,3−(糖鎖をそれぞれ修飾した電極の分子認識反応に由来する重さの変化を周波数の変化で示したときの経時変化である。表示のデータは平均値±標準誤差;n=3。It is a figure which shows the specific detection of influenza virus (H1N1) by a QCM sensor. In (a), changes in weight derived from the molecular recognition reaction of 2,6-sialyllactose sugar chains or 2,3- (sugar chain-modified electrodes, respectively, at various influenza virus concentrations are expressed by frequency changes. It is a change with time when shown. The displayed data is the average value ± standard error; n = 3. QCMセンサによるインフルエンザウィルス(H1N1)の特異的検出について示す図である。(b)は、(a)において各インジェクションが平衡になった時の周波数変化である(*p <0.01)。表示のデータは平均値±標準誤差;n=3。It is a figure which shows the specific detection of influenza virus (H1N1) by a QCM sensor. (B) is the frequency change when each injection is in equilibrium in (a) (* p <0.01). The displayed data is mean ± standard error; n = 3. 電位測定によるインフルエンザウィルス(H1N1)の特異的検出について示す図である。インフルエンザウィルスの濃度と、α2,6−シアリルラクトース糖鎖またはα2,3−シアリルラクトース糖鎖をそれぞれ修飾した電極の分子認識反応に由来する電位変化を表示した。表示のデータは平均値±標準誤差;n=3。It is a figure which shows the specific detection of influenza virus (H1N1) by potential measurement. The concentration of influenza virus and the potential change derived from the molecular recognition reaction of the electrode modified with α2,6-sialyllactose sugar chain or α2,3-sialyllactose sugar chain were displayed. The displayed data is mean ± standard error; n = 3.

以下、本発明について具体的に説明する。以下の説明において数値範囲を表す「〜」はその上限値及び下限値として記載されている数値を含む範囲を表す。 Hereinafter, the present invention will be specifically described. In the following description, "~" representing a numerical range represents a range including the numerical values described as the upper limit value and the lower limit value.

≪バイオセンサ用デバイス≫
本発明のバイオセンサ用デバイスは、導電層と、特定のウィルス又は細菌を選択的に捕捉するオリゴ糖と、前記導電層と前記オリゴ糖とを結合する中間層と、を有する。本発明のデバイスの各構成について詳述する。
なお、本明細書において「バイオセンサ」とは、ウィルス又は細菌の検出のために用いられる装置を意味する。
≪Device for biosensor≫
The device for a biosensor of the present invention has a conductive layer, an oligosaccharide that selectively captures a specific virus or bacterium, and an intermediate layer that binds the conductive layer and the oligosaccharide. Each configuration of the device of the present invention will be described in detail.
In addition, in this specification, a "biosensor" means an apparatus used for detecting a virus or a bacterium.

(導電層)
「導電層」とは、中間層を構成する化合物を固定化した導電性を有する層のことをいい、導電層は、中間層を形成する材料を介して、オリゴ糖と結合している。なお、中間層を形成する材料を「中間層形成材料」と称することがある。中間層形成材料も導電性を有していてよい。
導電層は、導電性を有する材料で形成され、上記の中間層形成材料を固定化することができれば、特にその材料の種類や形状は限定されず、本発明のデバイスを用いたウィルス又は細菌の検出方法等を考慮して、金属及びその他の導電性を有する材料を、適宜、目的の形状で用いることが好ましい。
(Conductive layer)
The "conductive layer" refers to a layer having conductivity in which compounds constituting the intermediate layer are immobilized, and the conductive layer is bonded to oligosaccharides via a material forming the intermediate layer. The material forming the intermediate layer may be referred to as "intermediate layer forming material". The intermediate layer forming material may also have conductivity.
The conductive layer is formed of a conductive material, and as long as the above-mentioned intermediate layer forming material can be immobilized, the type and shape of the material are not particularly limited, and the virus or bacterium using the device of the present invention can be used. In consideration of the detection method and the like, it is preferable to use a metal and other conductive materials in a desired shape as appropriate.

このような導電層は、金属単体でも、合金でもよく、さらに、ガラスカーボン、導電性高分子、または、導電性無機化合物のような金属以外の材料でもよい。
例えば、金属であれば、金、銀、白金、タンタル、アルミニウム、チタン、マグネシウム、亜鉛、珪素、錫等が挙げられる。中でも、中間層形成材料との親和性が良い金属が好ましい。中間層形成材料として、例えば、アルカンチオールを用いる場合には、硫黄原子との親和性が良い金属であることが好ましく、具体的には、銀、白金、または亜鉛であることが好ましく、金であることがより好ましい。
例えば、導電性高分子であれば、ポリチオフェン系導電性ポリマー、ポリフェニレン系導電性ポリマー、ポリピロール系導電性ポリマー、ポリアニリン系導電性ポリマー、ポリフルオレン系導電性ポリマー、ポリインドール系導電性ポリマーおよび炭素系材料等が挙げられる。具体例として、例えば、ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリ(p-フェニレン)、ポリ(p-フェニレンビニレン)、ポリ(p-フェニレンスルフィド)、ポリチエニレンビニレン、エウメラニン、ガラスカーボン、グラフェン等が挙げられる。中でも、中間層形成材料との親和性が良い導電性高分子が好ましい。中間層形成材料として、例えば、オリゴ糖導入用モノマーを用いる場合には、電界重合等の電気化学的付着が容易な導電性高分子であることが好ましく、具体的には、ポリエチレンジオキシチオフェン、エウメラニン、またはグラッシーカーボンであることが好ましく、ポリエチレンジオキシチオフェンであることがより好ましい。
例えば、導電性無機化合物であれば、酸化インジウムスズ(ITO)、インジウム―ガリウム―亜鉛―酸素(IGZO)が挙げられる。
また、導電層としての形状は、薄膜であれば特に制限されず、上面視の形状は、円形でもよいし、楕円形でもよいし、矩形でもよいし、三角形でもよいし、多角形でもよいし、不定形でもよい。
Such a conductive layer may be a simple substance of a metal, an alloy, or a material other than a metal such as glass carbon, a conductive polymer, or a conductive inorganic compound.
For example, in the case of metal, gold, silver, platinum, tantalum, aluminum, titanium, magnesium, zinc, silicon, tin and the like can be mentioned. Of these, a metal having a good affinity with the intermediate layer forming material is preferable. When, for example, alkanethiol is used as the intermediate layer forming material, it is preferably a metal having a good affinity for sulfur atoms, specifically, silver, platinum, or zinc, preferably gold. More preferably.
For example, in the case of conductive polymers, polythiophene-based conductive polymer, polyphenylene-based conductive polymer, polypyrrole-based conductive polymer, polyaniline-based conductive polymer, polyfluorene-based conductive polymer, polyindole-based conductive polymer and carbon-based Materials and the like can be mentioned. Specific examples thereof include polyethylene dioxythiophene, poly (p-phenylene), poly (p-phenylene vinylene), poly (p-phenylene sulfide), polythienylene vinylene, eumelanin, glass carbon, graphene and the like. Of these, a conductive polymer having a good affinity with the intermediate layer forming material is preferable. When, for example, a monomer for introducing an oligosaccharide is used as the intermediate layer forming material, it is preferable that it is a conductive polymer that is easily electrochemically adhered by electropolymerization or the like. It is preferably eumelanin or glassy carbon, more preferably polyethylenedioxythiophene.
For example, in the case of a conductive inorganic compound, indium tin oxide (ITO) and indium-gallium-zinc-oxygen (IGZO) can be mentioned.
Further, the shape of the conductive layer is not particularly limited as long as it is a thin film, and the shape in the top view may be circular, elliptical, rectangular, triangular, or polygonal. , May be irregular.

導電層は、表面の一部または全部が、金属塩および金属酸化物の少なくとも一方で形成されていてもよい。
本発明のデバイスを適用して、バイオセンサとして、後述する電界効果型トランジスタ(Field Effect Transistor、以下、FETという)によるバイオセンサを用いるときは、導電層の表面の一部または全部が、金属塩および金属酸化物の少なくとも一方で形成され、当該被覆部分がウィルス又は細菌を含む水溶液と接触していることで、水溶液と導電層との固液界面における電位の安定性を向上させることができる。
The conductive layer may have a part or all of the surface formed of at least one of a metal salt and a metal oxide.
When the device of the present invention is applied and a biosensor using a field effect transistor (hereinafter referred to as FET) described later is used as the biosensor, a part or all of the surface of the conductive layer is a metal salt. And at least one of the metal oxides is formed, and the coating portion is in contact with an aqueous solution containing a virus or a bacterium, so that the stability of the potential at the solid-liquid interface between the aqueous solution and the conductive layer can be improved.

金属塩としては、例えば、特開2013−246060号公報に記載される金属酸化物と同じ材料を用いることができる。また、これらの中でも、ウィルス又は細菌を含む水溶液は、塩化物イオンを多く含むことから、金属塩は、金属塩化物であることが好ましい。また、金属塩を構成する金属は、中間層形成材料、特に自己組織化単分子膜(Self-Assembled Monolayer、以下、「SAM」と称する)との親和性が良いものが好ましい。中間層形成材料として、例えば、アルカンチオールを用いる場合には、金属塩を構成する金属が、硫黄原子との親和性が良い金属であることが好ましく、具体的には、金、銀、白金、または亜鉛であることが好ましく、金であることがより好ましい。 As the metal salt, for example, the same material as the metal oxide described in JP2013-246060 can be used. Further, among these, since the aqueous solution containing a virus or a bacterium contains a large amount of chloride ions, the metal salt is preferably a metal chloride. Further, the metal constituting the metal salt preferably has a good affinity with an intermediate layer forming material, particularly a self-assembled monolayer (hereinafter referred to as "SAM"). When, for example, alcanthiol is used as the intermediate layer forming material, it is preferable that the metal constituting the metal salt is a metal having a good affinity with a sulfur atom, specifically, gold, silver, platinum, etc. Alternatively, it is preferably zinc, more preferably gold.

金属酸化物としては、例えば、特開2013−246060号公報に記載される金属材料と同じ材料を用いることができ、好ましいものも同じである。 As the metal oxide, for example, the same material as the metal material described in JP2013-246060 can be used, and the preferred one is also the same.

導電層としては、ガラスカーボンやITO、IGZOもまた好ましい。中間層形成材料として、例えば、ポリチオフェン系導電性高分子を用いる場合には、ロール・ツー・ロール印刷法や電界重合法を適用することができるため、容易かつ安価・大量に薄膜を形成することができる。 As the conductive layer, glass carbon, ITO, and IGZO are also preferable. When a polythiophene-based conductive polymer is used as the intermediate layer forming material, for example, a roll-to-roll printing method or an electric field polymerization method can be applied, so that a thin film can be formed easily, inexpensively, and in large quantities. Can be done.

導電層が平板状の場合においては、その厚さは適宜調整されることが好ましいが、0.05μm〜1μmであることが好ましい。0.05μm以上であることで、デバイスとしての導電性をより十分に確保でき、デバイスとしての強度をより十分に確保できる。また、1μm以下であることで、製造コストを抑制することができる。 When the conductive layer has a flat plate shape, its thickness is preferably adjusted as appropriate, but is preferably 0.05 μm to 1 μm. When it is 0.05 μm or more, the conductivity as a device can be more sufficiently secured, and the strength as a device can be more sufficiently secured. Further, when it is 1 μm or less, the manufacturing cost can be suppressed.

また、導電層は、後述するFETの電極となり得るが、この場合に、導電層は、ウィルス又は細菌の検出感度の点から、FETのゲート電極又はゲート電極に接続した電極であることが好ましい。 Further, the conductive layer can be an electrode of the FET described later, but in this case, the conductive layer is preferably a gate electrode of the FET or an electrode connected to the gate electrode from the viewpoint of detection sensitivity of viruses or bacteria.

(中間層)
中間層を形成する中間層形成材料は、導電層とオリゴ糖の両方に結合していれば、どのような材料で構成されていてもよい。中間層形成材料は導電層を形成する物質と同じ物質を用いてもよい。また、中間層がその一部に導電層と同じ物質を含んでいてもよい。
検出感度の向上および容易な製造、という点からは、SAMであることが好ましい。SAMとは、外からの細かい制御を加えていない状態で、膜材料そのものがもつ機構によって形成される一定の秩序をもつ組織をもった薄膜のことをいう。この自己組織化により、非平衡の状況で秩序がある構造やパターンが形成される。アルカンチオールやアルカンジスルフィド類などの含硫黄化合物は、金、銀等の貴金属、貴金属で構成される金属塩、または貴金属で構成される酸化物等、貴金属を含む基板上に、自発的に吸着し単分子サイズの薄膜を与える。従って、電極表面に中間層を容易に形成することができ、かつ、中間層を介して高密度でオリゴ糖を固定化することができ、ウィルス又は細菌の検出の精度をより高くすることができる。
(Middle layer)
The intermediate layer forming material for forming the intermediate layer may be composed of any material as long as it is bonded to both the conductive layer and the oligosaccharide. As the intermediate layer forming material, the same substance as the substance forming the conductive layer may be used. Further, the intermediate layer may contain the same substance as the conductive layer in a part thereof.
SAM is preferable from the viewpoint of improving detection sensitivity and easy production. The SAM is a thin film having a structure having a certain order formed by the mechanism of the film material itself without applying fine control from the outside. This self-organization forms ordered structures and patterns in non-equilibrium situations. Sulfur-containing compounds such as alkanethiols and alcandisulfides are spontaneously adsorbed on substrates containing precious metals such as precious metals such as gold and silver, metal salts composed of precious metals, and oxides composed of precious metals. Gives a single molecule size thin film. Therefore, an intermediate layer can be easily formed on the electrode surface, and oligosaccharides can be immobilized at a high density through the intermediate layer, and the accuracy of virus or bacterium detection can be improved. ..

SAMを形成し得る材料としては、例えば、含硫黄化合物、シリル基含有化合物等が挙げられる。
含硫黄化合物としては、アルキル鎖を有するアルカンチオール等に代表されるチオール基含有化合物やジスルフィド基含有化合物などが挙げられる。なお、ジスルフィド基含有化合物は、チオール基を形成するための原料である。
シリル基含有化合物としては、アルキル鎖を有するアルキルアルコキシシランなどが挙げられる。
含硫黄化合物、シリル基含有化合物とも、アルキル鎖に代えて、ポリエチレングリコール(PEG)に代表されるポリマー鎖を有する含硫黄化合物またはシリル基含有化合物であってもよい。
上記の化合物の中でも、バイオセンサとしての感度の点から、SAMは、導電層にチオール基で固定された含硫黄化合物が好ましい。また、含硫黄化合物としてはチオール基含有化合物がより好ましく、さらにアルキル鎖を有するチオール基含有化合物が特に好ましい。
Examples of the material capable of forming the SAM include sulfur-containing compounds and silyl group-containing compounds.
Examples of the sulfur-containing compound include a thiol group-containing compound represented by an alkane thiol having an alkyl chain and a disulfide group-containing compound. The disulfide group-containing compound is a raw material for forming a thiol group.
Examples of the silyl group-containing compound include alkylalkoxysilanes having an alkyl chain.
The sulfur-containing compound and the silyl group-containing compound may be a sulfur-containing compound or a silyl group-containing compound having a polymer chain typified by polyethylene glycol (PEG) instead of the alkyl chain.
Among the above compounds, from the viewpoint of sensitivity as a biosensor, SAM is preferably a sulfur-containing compound immobilized on a conductive layer with a thiol group. Further, as the sulfur-containing compound, a thiol group-containing compound is more preferable, and a thiol group-containing compound having an alkyl chain is particularly preferable.

また、SAMを形成する化合物としては、導電層及びオリゴ糖の両方に結合するという点から、少なくとも2種以上の異なる官能基を有していることが好ましい。さらに、導電層への結合のし易さから、SAMを形成する化合物は、チオール基含有化合物であって、チオール基以外にも官能基を有していることが好ましい。このように、異なる2種以上の官能基を有していることで、導電層上に、オリゴ糖を結合したSAMを形成しやすくなるので有効である。 Further, the compound forming the SAM preferably has at least two or more different functional groups from the viewpoint of binding to both the conductive layer and the oligosaccharide. Further, from the viewpoint of easy bonding to the conductive layer, the compound forming the SAM is preferably a thiol group-containing compound and preferably has a functional group other than the thiol group. Having two or more different functional groups in this way is effective because it facilitates the formation of an oligosaccharide-bound SAM on the conductive layer.

前記官能基としては、上記したチオール基以外には、オキシルアミノ基、ヒドラジド基、アミノ基、水酸基、カルボキシル基、カルボニル基、アジド基、アルキニル基、エポキシ基及びイソシアネート基等が挙げられる。さらに、チオール基以外の官能基としては、オリゴ糖の還元末端炭素との結合性から、オキシルアミノ末端またはヒドラジド末端であることが好ましい。SAMを形成する分子の末端(オリゴ糖と結合する側の末端)がオキシルアミノ基またはヒドラジド末端であることで、オリゴ糖側に、SAM等との結合のための官能基を付与することを必要としないため、オリゴ糖をそのままSAM等との結合のために用いることができる点でも有利である。 Examples of the functional group include an oxylamino group, a hydrazide group, an amino group, a hydroxyl group, a carboxyl group, a carbonyl group, an azido group, an alkynyl group, an epoxy group and an isocyanate group, in addition to the above-mentioned thiol group. Further, the functional group other than the thiol group is preferably an oxylamino terminal or a hydrazide terminal because of the binding property of the oligosaccharide to the reducing terminal carbon. Since the end of the molecule forming SAM (the end on the side that binds to oligosaccharide) is an oxylamino group or a hydrazide end, it is necessary to impart a functional group for binding to SAM or the like on the oligosaccharide side. Therefore, it is also advantageous that the oligosaccharide can be used as it is for binding to SAM or the like.

また、SAMを形成する場合に用いる化合物において、例えば、上記のチオール基含有化合物又はジスルフィド基含有化合物は、チオール基以外の官能基又はジスルフィド基以外の官能基も有する1種類の化合物であってもよいし、チオール基以外の官能基又はジスルフィド基以外の官能基も有する複数種類の化合物であってもよい。 Further, among the compounds used when forming SAM, for example, the above-mentioned thiol group-containing compound or disulfide group-containing compound may be one kind of compound having a functional group other than the thiol group or a functional group other than the disulfide group. Alternatively, it may be a plurality of types of compounds having a functional group other than the thiol group or a functional group other than the disulfide group.

SAMを形成させる場合に、例えば、金属電極の表面に固定化された分子数の密度(SAM密度)、上記化合物中のオリゴ糖を結合させる官能基の含有率、あるいはオリゴ糖を結合させる反応条件を調整することで、SAM上の一定面積中でのオリゴ糖の結合量、すなわちSAMに結合したオリゴ糖間の距離を調整することができる。このことにより、細菌やウィルスが有するレクチン等のオリゴ糖に対する複数の認識領域(オリゴ糖認識サイト)あるいは複数のレクチン等のオリゴ糖認識サイトに適合するように、SAM上でのオリゴ糖間の距離を調整することができる。従って、本発明におけるバイオセンサ用デバイスは、ウィルス又は細菌が有するレクチン等と該デバイス上の複数のオリゴ糖との多点結合を形成させて、バイオセンサとしたときの検出感度を飛躍的に向上させることが可能である。 When forming SAM, for example, the density of the number of molecules immobilized on the surface of the metal electrode (SAM density), the content of functional groups that bind oligosaccharides in the above compound, or the reaction conditions for binding oligosaccharides. By adjusting, the amount of oligosaccharides bound in a certain area on the SAM, that is, the distance between the oligosaccharides bound to the SAM can be adjusted. As a result, the distance between oligosaccharides on the SAM so as to be compatible with multiple recognition regions (oligosaccharide recognition sites) for oligosaccharides such as lectins possessed by bacteria and viruses or oligosaccharide recognition sites such as multiple lectins. Can be adjusted. Therefore, the biosensor device of the present invention dramatically improves the detection sensitivity when used as a biosensor by forming a multipoint bond between a lectin or the like possessed by a virus or a bacterium and a plurality of oligosaccharides on the device. It is possible to make it.

なお、SAM密度(mol/nm)は、サイクリックボルタメントリー(CV)測定等によって求めることができる。The SAM density (mol / nm 2 ) can be determined by cyclic voltamentary (CV) measurement or the like.

また、ジスルフィド基を有し、さらに、ジスルフィド基以外の官能基を有する化合物は、導電層である金属電極上で、ジスルフィド結合を乖離させて、前記化合物中のジスルフィド結合を介した2つの部分(A−S−S−B)のA及びBを、金属電極上にチオール結合で固定させることができる。これによって、金属電極上に、異なる官能基を有する2種の化合物を、互いに近傍に配置させることができる。このような化合物がSAMを形成する場合、金属電極上に、一定の厚さ(単分子分の厚さ)を有し、それぞれの官能基を用いた2種の固定化が可能である。例えば、ターゲットを捕捉する分子と、非特異吸着を抑制する分子を同じSAMの表面に固定化することができる。このため、このようなSAMを用いて、ターゲット認識能が高いバイオセンサ用デバイスを作製することができる。 Further, the compound having a disulfide group and further having a functional group other than the disulfide group dissociates the disulfide bond on the metal electrode which is the conductive layer, and two portions via the disulfide bond in the compound ( A and B of ASSB) can be fixed on a metal electrode by a thiol bond. As a result, two kinds of compounds having different functional groups can be arranged in the vicinity of each other on the metal electrode. When such a compound forms a SAM, it has a certain thickness (thickness of a single molecule) on the metal electrode, and two types of immobilization using each functional group are possible. For example, a molecule that captures a target and a molecule that suppresses non-specific adsorption can be immobilized on the same surface of the SAM. Therefore, such a SAM can be used to manufacture a biosensor device having high target recognition ability.

中間層を、導電層上に形成する場合は、例えば、中間層形成材料であるSAMを形成する化合物が溶解している溶液を、導電層上に付与し、SAMが形成されるまで溶液が乾燥しないように保持し、SAMを形成した後に洗浄すればよい。
オリゴ糖は、上記のように中間層を形成した後に、中間層形成材料に結合させればよい。また、オリゴ糖と中間層形成材料とを予め結合させた後に、これを溶媒に溶かし、溶液として、導電層上に付与してもよい。
When the intermediate layer is formed on the conductive layer, for example, a solution in which the compound forming the SAM, which is the intermediate layer forming material, is dissolved is applied onto the conductive layer, and the solution dries until the SAM is formed. It may be held so as not to be formed, and washed after forming the SAM.
The oligosaccharide may be bonded to the intermediate layer forming material after forming the intermediate layer as described above. Further, after the oligosaccharide and the intermediate layer forming material are bonded in advance, this may be dissolved in a solvent and applied as a solution on the conductive layer.

導電層上への溶液の付与方法としては、スピン塗布、エアナイフ塗布、バー塗布、ブレード塗布、スライド塗布、カーテン塗布等の塗布により溶液を付与する方法、さらには、滴下法、スプレー法、蒸着法、キャスト法、浸漬法等により付与する方法が挙げられる。中間層形成材料、または、オリゴ糖が結合した中間層形成材料を溶解した溶液は、金属電極上、または、金属塩ないし金属酸化物等で構成される導電層上に、ランダム状に付与してもよいし、アレイ状に配列させて付与してもよいし、ドメイン状に一塊に付与してもよい。また、パターン状に付与してもよい。 As a method of applying the solution on the conductive layer, a method of applying the solution by application such as spin coating, air knife coating, bar coating, blade coating, slide coating, curtain coating, and further, a dropping method, a spray method, and a vapor deposition method. , Casting method, dipping method and the like. The intermediate layer forming material or the solution in which the intermediate layer forming material to which the oligosaccharide is bound is dissolved is randomly applied on a metal electrode or a conductive layer composed of a metal salt, a metal oxide, or the like. It may be given by arranging it in an array, or it may be given as a block in a domain shape. Further, it may be given in a pattern.

中間層形成材料、または、オリゴ糖が結合した中間層形成材料を溶解する溶媒としては、水、アルコール、または、これらの混合溶媒が用いられる。中間層形成材料のみを溶解する場合は、非水溶性有機溶媒を用いてもよいが、オリゴ糖が結合した中間層形成材料を溶解する場合は、水、アルコール、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホオキシド(DMSO),アセトニトリル、アセトン等の水溶性溶媒、または、これらの混合溶媒が用いられる。中でも、水、エタノール、DMSOまたは、これらの混合溶媒が好ましい。 Water, alcohol, or a mixed solvent thereof is used as the solvent for dissolving the intermediate layer forming material or the intermediate layer forming material to which the oligosaccharide is bound. A water-insoluble organic solvent may be used to dissolve only the intermediate layer-forming material, but water, alcohol, dimethylformamide (DMF), and dimethyl sulfoxide are used to dissolve the intermediate layer-forming material to which oligosaccharides are bound. A water-soluble solvent such as oxide (DMSO), acetonitrile or acetone, or a mixed solvent thereof is used. Of these, water, ethanol, DMSO, or a mixed solvent thereof is preferable.

中間層形成材料としては、導電性高分子もまた好ましい。導電性高分子は、オリゴ糖を導入可能で、導電層に結合し中間層を形成し得るものであれば特に限定されない。導電性高分子としては、ポリチオフェン系導電性ポリマー、ポリフェニレン系導電性ポリマー、ポリピロール系導電性ポリマー、ポリアニリン系導電性ポリマー、ポリフルオレン系導電性ポリマーまたはポリインドール系導電性ポリマー等が挙げられる。具体例として、例えば、ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリ(p-フェニレン)、ポリ(p-フェニレンビニレン)、ポリ(p-フェニレンスルフィド)、ポリチエニレンビニレン、グラフェン等が挙げられる。導電性高分子は、ホモポリマーであってもよいし、2以上のモノマーから形成される共重合体であってもよい。また、導電性高分子は、エチレングリコール(EG)、ジメチルホルムアミド(DMF)、スルホラン等、導電性を高めるために用いる添加剤、またはその他の目的で用いられる添加剤を含んでいてもよい。中間層として用いる導電性高分子は、公知の方法で合成してもよいし、市販品を用いてもよい。導電性との結合性の観点から、適当なモノマーを用いて電解重合または酸化重合によって導電層上に形成することが好ましい。 As the intermediate layer forming material, a conductive polymer is also preferable. The conductive polymer is not particularly limited as long as it can introduce oligosaccharides and can bind to the conductive layer to form an intermediate layer. Examples of the conductive polymer include polythiophene-based conductive polymer, polyphenylene-based conductive polymer, polypyrrole-based conductive polymer, polyaniline-based conductive polymer, polyfluorene-based conductive polymer, and polyindole-based conductive polymer. Specific examples thereof include polyethylene dioxythiophene, poly (p-phenylene), poly (p-phenylene vinylene), poly (p-phenylene sulfide), polythienylene vinylene, graphene and the like. The conductive polymer may be a homopolymer or a copolymer formed from two or more monomers. Further, the conductive polymer may contain additives used for enhancing conductivity, such as ethylene glycol (EG), dimethylformamide (DMF), and sulfolane, or additives used for other purposes. The conductive polymer used as the intermediate layer may be synthesized by a known method, or a commercially available product may be used. From the viewpoint of bondability with conductivity, it is preferable to form the conductive layer on the conductive layer by electrolytic polymerization or oxidative polymerization using an appropriate monomer.

導電性高分子の中でも、ポリチオフェン系導電性ポリマーの1つである、ポリエチレンジオキシチオフェンは、電気伝導度が高く、化学的に安定であり、ホール注入性やドーピング特性を有し、希少元素または有毒元素を含まず、柔軟性や伸縮性に富む、等の観点から、中間層形成材料として好ましく用いられる。また、ポリチオフェン系導電性ポリマーは水や有機溶媒の分散液として用いることができるため、塗布・加工に適している。例えば、繊維に組み込んで衣服型のウェアラブルセンサとすることも可能であり、バイオセンサの汎用性を高めることができる。 Among the conductive polymers, polyethylenedioxythiophene, which is one of the polythiophene-based conductive polymers, has high electrical conductivity, is chemically stable, has hole injectability and doping properties, and is a rare element or. It is preferably used as an intermediate layer forming material from the viewpoint of not containing toxic elements and having high flexibility and elasticity. Further, since the polythiophene-based conductive polymer can be used as a dispersion liquid of water or an organic solvent, it is suitable for coating and processing. For example, it can be incorporated into a fiber to make a clothing-type wearable sensor, and the versatility of the biosensor can be enhanced.

導電性高分子を中間層として形成する場合に用いるモノマーとしては、水や有機溶媒に溶解し、かつ、ドーパントとなる無機アニオンやポリアニオンとの相溶性を有し、かつ、水や有機溶媒の電気分解が起こらない低い酸化還元電位を有するモノマーであることが好ましい。このようなモノマーとして、チオフェン系モノマーを挙げることができる。
チオフェン系モノマーとしては、3,4−エチレンジオキシチオフェン、3,4−ジメチルオキシチオフェン、5,5’’’’−ビス(2’’’’’,2’’’’’−ジシアノビニル)−2,2’:5’,2’’:5’’,2’’’:5’’’,2’’’’−クインケチオフェン(DCV5T)、5,5’’’−ビス(トリデカフルオロヘキシル)−2,2’:5’,2 ’’:5’’,2’′’−クアテルチオフェン、2,5−ビス(トリメチルスタニル)−チエノ[3,2−b]チオフェン、2,5−ビス(トリメチルスタニル)チオフェン、2,2’−ビチエノ[3,2−b]チオフェン、2,3’−ビチオフェン、2−ブロモ−5−ドデシルチオフェン、2−ブロモ−3−(2−エチルヘキシル)チオフェン、5−ブロモ−5’−ヘキシル−2,2’−ビチオフェン、3,4−ジアミノチオフェン ジヒドロクロリド、3,3’−ジブロモ−5,5’−ビス(トリメチルシリル)−2,2’−ビチオフェン、2,5−ジブロモ−3−シクロヘキシルチオフェン、2,5−ジブロモ−3−デシルチオフェン、5,5’−ジブロモo−4,4’−ジドデシル−2,2’−ビチオフェン、2,5−ジブロモ−3,4−ジヘキシルチオフェン、2,5−ジブロモ−3,4−ジニトロチオフェン、5,5’−ジブロモ−4,4’−ジテトラデシル−2,2’−ビチオフェン、2,6−ジブロモジチエノ[3,2−b:2’,3’−d]チオフェン、2,5−ジブロモ−3,4−エチレンジオキシチオフェン、2,5−ジブロモ−3−(2−エチルヘキシル)チオフェン、2,5−ジブロモ−3−オクチルチオフェン、2,5−ジブロモチエノ[3,2−b]チオフェン、3,4−(2’,2’−ジエチルプロピレン)ジオキシチオフェン、5,5’−ジヘキシル−2,2’−ビチオフェン、3,4−ジヒドロキシチオフェン−2,5−ジカルボン酸ジエチルエステル、3,4−(2,2−ジメチルプロピレンジオキシ)チオフェン、3,4−エチレンジチオチオフェン、3−(2−エチルヘキシル)チオフェン、5−パーフルオロヘキシル−2,2’−ビチオフェン、3−フェニルチオフェン、3,4−プロピレンジオキシチオフェン、3,4−プロピレンジオキシチオフェン−2,5−ジカルボン酸、3,3’,5,5’−テトラブロモ−2,2’−ビチオフェン、チエノ[3,2−b]チオフェン−2−カルボキシアルデヒド、チエノ[3,2−b]チオフェン−2,5−ジボロン酸 ビス(ピナコールエステル)、チエノ[2,3−b]チオフェン−2,5−ジカルボキシアルデヒド、チエノ[3,2−b]チオフェン−2,5−ジカルボキシアルデヒド、チオフェン−2−ボロン酸 ピナコールエステル、チオフェン−2,5−ジボロン酸 ビス(ピナコール)エステル、3,4−チオフェンジカルボン酸、5−へキシル−2−チオフェンボロン酸ピナコールエステル、ジチエノ[3,2−b:2’,3’−d]チオフェン、3,3”’−ジドデシル−2,2’:5’,2”:5”,2”’−クアテルチオフェン、5,5’−ジ(4−ビフェニルイル)−2,2’−ビチオフェン、5,5’’−ジブロモ−2,2’:5’,2’’−テルチオフェン、2,5−ジブロモ−3−ドデシルチオフェン、3,3’−ジブロモ−2,2’−ビチオフェン、5,5’−ジブロモ−2,2’−ビチオフェン、2,5−ジブロモ−3−ブチルチオフェン、2,5−ジブロモ−3−ヘキシルチオフェン、3,3”’−ジヘキシル−2,2’:5’,2”:5”,2”’−クアテルチオフェン、,5’’’’’−ジヘキシル−2,2’:5’,2’’:5’’,2’’’:5’’’,2’’’’:5’’’’,2’’’’’−セキシチオフェン、3,4−ジヘキシルチオフェン、3,4−ジメトキシチオフェン、5,5’−ジヨード−2,2’−ビチオフェン、α−セキシチオフェン、チエノ[2,3−b]チオフェン、チエノ[3,2−b]チオフェン、2,2’:5’,2”−テルチオフェン、2,2’:5’,2”−テルチオフェン−5−ボロン酸 ピナコールエステル、3−デシルチオフェン、3−ドデシルチオフェン、5,5’−ビス(トリメチルスタンニル)−2,2’−ビチオフェン、2,2’−ビチオフェン、2,2’−ビチオフェン−5,5’−ジボロン酸 ビス(ピナコール)エステル、2,2’−ビチオフェン−5−ボロン酸ピナコールエステル、5−フルオロ−2,3−チオフェンジカルボキシアルデヒド、2−ブロモ−3−オクチルチオフェン、2−ブロモ−3−ドデシルチオフェン、2−ブロモ−3−(ブロモメチル)チオフェン、2−ブロモ−3−ヘキシルチオフェン、5−ブロモ−2−ヘキシルチオフェン、3−ブロモ−4−メチルチオフェン、3−ヘキシルチオフェン−2−ボロン酸 ピナコール エステル、5−ヘキシル−2,2’−ビチオフェン、5’−ヘキシル-2,2’−ビチオフェン−5−ボロン酸ピナコールエステル等が挙げられる。
中でも、3,4−エチレンジオキシチオフェンが特に好ましい。
The monomer used when forming the conductive polymer as an intermediate layer is soluble in water or an organic solvent, has compatibility with an inorganic anion or a polyanion as a dopant, and is electrolyzed by water or an organic solvent. It is preferable that the monomer has a low oxidation-reduction potential that does not cause decomposition. Examples of such a monomer include a thiophene-based monomer.
Examples of the thiophene-based monomer include 3,4-ethylenedioxythiophene, 3,4-dimethyloxythiophene, and 5,5''''-bis (2'''''', 2''''''-dicyanovinyl). -2,2': 5', 2'': 5'', 2''': 5''', 2''''-quinquethiophene (DCV5T), 5,5''''-bis (trideca) Fluorohexyl) -2,2': 5', 2'': 5'', 2'''-quaterthiophene, 2,5-bis (trimethylstanyl) -thieno [3,2-b] thiophene, 2,5-bis (trimethylstanyl) thiophene, 2,2'-bitieno [3,2-b] thiophene, 2,3'-bithiophene, 2-bromo-5-dodecylthiophene, 2-bromo-3- ( 2-Ethylhexyl) thiophene, 5-bromo-5'-hexyl-2,2'-bithiophene, 3,4-diaminothiophene dihydrochloride, 3,3'-dibromo-5,5'-bis (trimethylsilyl) -2, 2'-Bithiophene, 2,5-dibromo-3-cyclohexylthiophene, 2,5-dibromo-3-decylthiophene, 5,5'-dibromoo-4,4'-didodecyl-2,2'-bithiophene, 2 , 5-Dibromo-3,4-dihexylthiophene, 2,5-dibromo-3,4-dinitrothiophene, 5,5'-dibromo-4,4'-ditetradecyl-2,2'-bithiophene, 2,6- Dibromodithieno [3,2-b: 2', 3'-d] thiophene, 2,5-dibromo-3,4-ethylenedioxythiophene, 2,5-dibromo-3- (2-ethylhexyl) thiophene, 2, 5-dibromo-3-octylthiophene, 2,5-dibromothieno [3,2-b] thiophene, 3,4- (2', 2'-diethylpropylene) dioxythiophene, 5,5'-dihexyl-2, 2'-Bithiophene, 3,4-dihydroxythiophene-2,5-dicarboxylic acid diethyl ester, 3,4- (2,2-dimethylpropylenedioxy) thiophene, 3,4-ethylenedithiothiophene, 3- (2-) Ethylhexyl) thiophene, 5-perfluorohexyl-2,2'-bithiophene, 3-phenylthiophene, 3,4-propylenedioxythiophene, 3,4-propylenedioxythiophene-2,5-dicarboxylic acid, 3,3 ', 5,5'-Tetrabromo-2,2'-Bithiophene, Thieno [3,2-b] Thiophene-2-carboxyalde Hyd, terthiophene [3,2-b] thiophene-2,5-diboronic acid bis (pinacol ester), terthiophene [2,3-b] thiophene-2,5-dicarboxyaldehyde, thieno [3,2-b] Terthiophene-2,5-dicarboxyaldehyde, thiophen-2-boronic acid pinacol ester, thiophene-2,5-diboronic acid bis (pinacol) ester, 3,4-thiophene dicarboxylic acid, 5-hexyl-2-thiopheneborone Acid pinacol ester, dithieno [3,2-b: 2', 3'-d] thiophene, 3,3 "'-zidodecyl-2,2': 5', 2": 5 ", 2"'-quater Thiophene, 5,5'-di (4-biphenylyl) -2,2'-bithiophene, 5,5''-dibromo-2,2': 5', 2''-terthiophene, 2,5-dibromo -3-Dodecylthiophene, 3,3'-dibromo-2,2'-bithiophene, 5,5'-dibromo-2,2'-bithiophene, 2,5-dibromo-3-butylthiophene, 2,5-dibromo -3-hexylthiophene, 3,3 "'-dihexyl-2,2': 5', 2": 5 ", 2"'-quaterthiophene, 5'''''-dihexyl-2,2' : 5', 2'': 5'', 2''': 5''', 2'''': 5'''', 2'''''-Sexithiophene, 3,4-dihexyl Thiophene, 3,4-dimethoxythiophene, 5,5'-diiodo-2,2'-bithiophene, α-sexithiophene, terthiophene [2,3-b] terthiophene, terthiophene [3,2-b] thiophene, 2 , 2': 5', 2 "-terthiophene, 2,2': 5', 2" -terthiophene-5-boronic acid pinacol ester, 3-decylthiophene, 3-dodecylthiophene, 5,5'-bis (Tritrimethylstannyl) -2,2'-Bithiophene, 2,2'-Bithiophene, 2,2'-Bithiophene-5,5'-Diboronic acid bis (pinacole) ester, 2,2'-Bithiophene-5-boron Acid pinacol ester, 5-fluoro-2,3-thiophene dicarboxyaldehyde, 2-bromo-3-octylthiophene, 2-bromo-3-dodecylthiophene, 2-bromo-3- (bromomethyl) thiophene, 2-bromo- 3-Hexylthiophene, 5-bromo-2-hexylthiophene, 3-bromo-4-methylthiophene, 3-hexylthiophene-2-boronic acid pinacol ester, 5-hexy Examples thereof include ru-2,2'-bithiophene, 5'-hexyl-2,2'-bithiophene-5-boronic acid pinacol ester and the like.
Of these, 3,4-ethylenedioxythiophene is particularly preferable.

導電性高分子を形成するモノマーとしては、少なくとも1種類の、オリゴ糖と結合可能な官能基を有するモノマーを用いることが好ましい。前記官能基としては、チオール基、オキシルアミノ基、ヒドラジド基、アミノ基、水酸基、カルボキシル基、カルボニル基、アジド基、アルキニル基、エポキシ基及びイソシアネート基等が挙げられる。オリゴ糖の還元末端炭素との結合性の観点から、オキシルアミノ基またはヒドラジド基を有することが好ましい。導電性高分子がオキシルアミノ基またはヒドラジド基を有することによって、オリゴ糖側に、導電性高分子との結合のための官能基を付与することを必要としないため、オリゴ糖をそのまま中間層との結合のために用いることができる。オリゴ糖と結合可能な官能基を有するモノマーは、1種類を用いてもよいし、複数の種類を用いて共重合体を形成してもよい。 As the monomer forming the conductive polymer, it is preferable to use at least one kind of monomer having a functional group capable of binding to an oligosaccharide. Examples of the functional group include a thiol group, an oxylamino group, a hydrazide group, an amino group, a hydroxyl group, a carboxyl group, a carbonyl group, an azido group, an alkynyl group, an epoxy group and an isocyanate group. From the viewpoint of binding of the oligosaccharide to the reducing terminal carbon, it is preferable to have an oxylamino group or a hydrazide group. Since the conductive polymer has an oxylamino group or a hydrazide group, it is not necessary to impart a functional group for bonding with the conductive polymer to the oligosaccharide side, so that the oligosaccharide is directly used as the intermediate layer. Can be used for binding. As the monomer having a functional group capable of binding to an oligosaccharide, one type may be used, or a plurality of types may be used to form a copolymer.

導電性高分子を形成するモノマーとしては、オリゴ糖と結合可能な官能基(A)と、チエニル基、フェニル基、アニリル基、フルオレン基、インドール基またはピロール基(B)とを有するモノマー(以下、オリゴ糖導入用モノマーということがある)が特に好ましい。
オリゴ糖導入用モノマーは、導電性高分子を形成するモノマーとして記載したモノマーにオリゴ糖と結合可能な官能基を導入することによって得ることができる。オリゴ糖と結合可能な官能基をモノマーに導入する方法は当業者に公知である。あるいは、市販品を用いてもよい。
好ましいオリゴ糖導入用モノマーは、3,4−エチレンジオキシチオフェン−ONHまたは3,4−エチレンジオキシチオフェン−ONHNHであり、3,4−エチレンジオキシチオフェン−ONH(EDOTAO)が特に好ましい。
As the monomer forming the conductive polymer, a monomer having a functional group (A) capable of binding to an oligosaccharide and a thienyl group, a phenyl group, anilyl group, a fluorene group, an indol group or a pyrrole group (B) (hereinafter referred to as a monomer). , A monomer for introducing oligosaccharides) is particularly preferable.
The oligosaccharide-introducing monomer can be obtained by introducing a functional group capable of binding to an oligosaccharide into the monomer described as the monomer forming the conductive polymer. Methods of introducing a functional group capable of binding an oligosaccharide into a monomer are known to those skilled in the art. Alternatively, a commercially available product may be used.
Preferred oligosaccharide introduction monomers are 3,4-ethylenedioxythiophene-ONH 2 or 3,4-ethylenedioxythiophene-ONHNH 2 , with 3,4-ethylenedioxythiophene-ONH 2 (EDOTAO) in particular. preferable.

導電性高分子は、オリゴ糖導入用モノマーと、少なくとも1種類の他のモノマーとの共重合体であってもよい。他のモノマーは特に限定されないが、オリゴ糖導入用モノマーから、オリゴ糖と結合可能な官能基を除いた構造を有するモノマー(つまり、官能基が導入される前のオリゴ糖導入用モノマー)であることが好ましい。他のモノマーとしてこのようなモノマーを用いることによって、高分子主鎖の共役系を乱さず、導電性が高い共重合体を得ることができる。他のモノマーは、1種類を用いてもよいし、複数の種類を用いてもよい。 The conductive polymer may be a copolymer of an oligosaccharide-introducing monomer and at least one other monomer. The other monomer is not particularly limited, but is a monomer having a structure obtained by removing a functional group capable of binding to an oligosaccharide from the oligosaccharide introduction monomer (that is, an oligosaccharide introduction monomer before the functional group is introduced). Is preferable. By using such a monomer as another monomer, a copolymer having high conductivity can be obtained without disturbing the conjugated system of the polymer main chain. As the other monomer, one type may be used, or a plurality of types may be used.

特に好ましいオリゴ糖導入用モノマーと他のモノマーとの共重合体として、3,4−エチレンジオキシチオフェン(EDOT)とEDOT−ONH(EDOTAO)との共重合体等が挙げられる。Particularly preferable copolymers of the oligosaccharide-introducing monomer and other monomers include a copolymer of 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) and EDOT-ONH 2 (EDOTAO).

導電性高分子として共重合体を用いる場合、共重合体の重合比は特に限定されない。例えば、1種類のオリゴ糖導入用モノマーと1種類の他のモノマーの共重合体を用いる場合には、導電性とウィルス認識性の観点から9:1〜1:9の範囲とすることが好ましく、8:2〜6:4であることがさらに好ましい。
例えば、EDOTとEDOTAOとの共重合体を用いる場合、モノマーの重合比は特に限定されないが、導電性とウィルス認識性の観点から、EDOT:EDOTAOが、モル比で9:1〜1:9であることが好ましく、8:2〜6:4であることがさらに好ましい。
When a copolymer is used as the conductive polymer, the polymerization ratio of the copolymer is not particularly limited. For example, when a copolymer of one kind of oligosaccharide introducing monomer and one kind of other monomer is used, it is preferably in the range of 9: 1 to 1: 9 from the viewpoint of conductivity and virus recognition. , 8: 2 to 6: 4, more preferably.
For example, when a copolymer of EDOT and EDOTAO is used, the polymerization ratio of the monomers is not particularly limited, but from the viewpoint of conductivity and virus recognition, EDOT: EDOTAO has a molar ratio of 9: 1 to 1: 9. It is preferably present, and more preferably 8: 2 to 6: 4.

中間層形成材料として用いる導電性高分子は、重合反応を電気的に制御することによって導電性等の特性を制御できること、および、均一な薄膜を形成できること、等の観点から、電解重合によって導電層上に形成することが好ましい。電解重合は、例えば、過塩素酸ナトリウム水溶液またはポリスチレンスルホン酸(PSS)水溶液などの溶媒にモノマーを混合し、導電層を電極表面の少なくとも一部に有する作用電極、カウンター電極をモノマー混合液に接触させ、モノマーの酸化電位以上の電位を作用電極に印加することによって行うことができる。参照電極をさらに用いてもよい。
使用する電極、印加する電圧・電流および通電時間等の電解重合の条件は、当業者が適宜設定することができる。電極としては、例えば、グラッシーカーボン作用電極、白金カウンター電極、Ag/AgCl参照電極などを好ましく用いることができる。電気的な条件としては、例えば、サイクリック電位−0.6〜+1.1〜−0.6V (vs Ag/AgCl参照電極)、走査速度0.1V/secとすることができるが、これに限定はされない。
電解重合は、モノマーとオリゴ糖とを結合させてから行ってもよいが、電解重合の後に、中間層にオリゴ糖を結合させることが望ましい。これは、電界重合によってオリゴ糖が酸化還元されるのを防止するためである。
The conductive polymer used as the intermediate layer forming material is a conductive layer obtained by electrolytic polymerization from the viewpoints of being able to control properties such as conductivity by electrically controlling the polymerization reaction and being able to form a uniform thin film. It is preferably formed on top. In electrolytic polymerization, for example, a monomer is mixed with a solvent such as an aqueous solution of sodium perchlorate or an aqueous solution of polystyrene sulfonic acid (PSS), and a working electrode having a conductive layer on at least a part of the electrode surface and a counter electrode are brought into contact with the monomer mixture. It can be carried out by applying a potential equal to or higher than the oxidation potential of the monomer to the working electrode. A reference electrode may be further used.
The conditions of electrolytic polymerization such as the electrode to be used, the voltage / current to be applied, and the energization time can be appropriately set by those skilled in the art. As the electrode, for example, a glassy carbon working electrode, a platinum counter electrode, an Ag / AgCl reference electrode, or the like can be preferably used. The electrical conditions can be, for example, a cyclic potential of −0.6 to +1.1 to −0.6V (vs Ag / AgCl reference electrode) and a scanning speed of 0.1V / sec. There is no limitation.
The electrolytic polymerization may be carried out after the monomer and the oligosaccharide are bonded, but it is desirable to bond the oligosaccharide to the intermediate layer after the electrolytic polymerization. This is to prevent oligosaccharides from being redoxed by electropolymerization.

中間層は、導電層上にさらに形成される以外に、付与されていてもよい。
例えば、導電性高分子を中間層として導電層上に形成する方法としては、酸化重合法等の別の方法によって合成した導電性高分子をスピンコート法やロール・ツー・ロール法によって塗布すること、等によって行うことができる(Yan H. Jo T., Okuzaki H, Highly Conductive and Transparent Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/Poly(4-styrenesulfonate) (PEDOT/PSS) Thin Films, Polymer Journal, 2009, 41(12), 1028-9;Santos G.H., Gavim A.X., Silva R.F., Rodrigues P.C., Kamikawachi R.C., de Deus J.F., Macedo A.G., Roll-to-roll processed PEDOT:PSS thin films: application in flexible electrochromic devices, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2016, Volume 27, Issue 10, pp 11072-9)。
中間層形成材料および導電層形成材料として同じ材料を用いる場合、導電層と中間層を一体に形成してもよい。中間層と導電層との境界が明確に設けられていなくとも、一体に形成されたものが本発明の中間層および導電層としての機能を有する限りは本発明の範囲に含まれる。
The intermediate layer may be added in addition to being further formed on the conductive layer.
For example, as a method of forming a conductive polymer on the conductive layer as an intermediate layer, a conductive polymer synthesized by another method such as an oxidative polymerization method is applied by a spin coating method or a roll-to-roll method. , Etc. (Yan H. Jo T., Okuzaki H, Highly Conductive and Transparent Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) / Poly (4-styrenesulfonate) (PEDOT / PSS) Thin Films, Polymer Journal, 2009, 41 (12), 1028-9; Santos GH, Gavim AX, Silva RF, Rodrigues PC, Kamikawachi RC, de Deus JF, Macedo AG, Roll-to-roll processed PEDOT: PSS thin films: application in flexible electrochromic devices, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2016, Volume 27, Issue 10, pp 11072-9).
When the same material is used as the intermediate layer forming material and the conductive layer forming material, the conductive layer and the intermediate layer may be integrally formed. Even if the boundary between the intermediate layer and the conductive layer is not clearly provided, it is included in the scope of the present invention as long as the integrally formed one has a function as the intermediate layer and the conductive layer of the present invention.

導電層上に、中間層形成材料が固定化されていることは、例えば、該金属電極の表面について、XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)、ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)等のX線光電子分光分析を行うことで確認することができる。例えば、SAMとしてアルカンチオールを用いた場合、アルカンチオールが金属電極上に固定化されているときは、硫黄原子に由来するピークが検出される。
また、オリゴ糖が、例えば、SAMに結合されていることは、例えば、螢光分子で生体分子を標識し、螢光検出を行なうことで確認することができる。
The fact that the intermediate layer forming material is immobilized on the conductive layer means that, for example, the surface of the metal electrode is subjected to X-ray photoelectron spectroscopy such as XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) and ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis). It can be confirmed by performing an analysis. For example, when alkanethiol is used as the SAM, a peak derived from a sulfur atom is detected when the alkanethiol is immobilized on a metal electrode.
Further, it can be confirmed that the oligosaccharide is bound to, for example, SAM by labeling the biomolecule with a fluorescent molecule and performing fluorescence detection, for example.

(オリゴ糖)
オリゴ糖は、前記中間層と結合し、かつ、特定のウィルス又は細菌を選択的に捕捉できるものであれば特に限定されない。オリゴ糖の種類、すなわち、前記オリゴ糖を構成する糖残基の配列や糖残基数は、ターゲットとなるウィルス又は細菌に固有のものであるため、検出したいウィルスや細菌に応じて、より親和性の高いオリゴ糖が適宜選択される。
このように、オリゴ糖は、バイオセンサの細菌やウィルスに対する検出感度が高いものであることが好ましい。
(oligosaccharide)
The oligosaccharide is not particularly limited as long as it binds to the intermediate layer and can selectively capture a specific virus or bacterium. Since the type of oligosaccharide, that is, the sequence of sugar residues constituting the oligosaccharide and the number of sugar residues are unique to the target virus or bacterium, the affinity is higher depending on the virus or bacterium to be detected. A highly potent oligosaccharide is appropriately selected.
As described above, it is preferable that the oligosaccharide has a high detection sensitivity to bacteria and viruses of the biosensor.

また、中間層とオリゴ糖が結合したときの、中間層の導電層に接する位置からオリゴ糖の末端までの長さ(以後、プローブ層厚と称することがある)は、本発明の効果を損なわない限り特に限定されないが、バイオセンサとしたときの検出感度の点から、0.1nm〜100nmであることが好ましい。さらに、1nm〜10nmであることがより好ましい。中間層の厚さは、例えば、SAMに用いる化合物の主鎖の長さ等を選択することで調整でき、オリゴ糖の長さは、上述のオリゴ糖の糖残基数で調整することができる。
また、電解重合によって導電性高分子を形成する場合には、電解重合の際の電気量や使用するモノマーの組成等によって導電性高分子の膜厚を制御することができる。当業者は、適切な膜厚を得るためのモノマー組成と電気量を適宜決定することができる。
Further, the length from the position in contact with the conductive layer of the intermediate layer to the end of the oligosaccharide (hereinafter, may be referred to as the probe layer thickness) when the intermediate layer and the oligosaccharide are bound impairs the effect of the present invention. Unless otherwise limited, it is preferably 0.1 nm to 100 nm from the viewpoint of detection sensitivity when used as a biosensor. Further, it is more preferably 1 nm to 10 nm. The thickness of the intermediate layer can be adjusted by selecting, for example, the length of the main chain of the compound used for SAM, and the length of the oligosaccharide can be adjusted by the number of sugar residues of the oligosaccharide described above. ..
Further, when the conductive polymer is formed by electrolytic polymerization, the film thickness of the conductive polymer can be controlled by the amount of electricity in the electrolytic polymerization, the composition of the monomer used, and the like. Those skilled in the art can appropriately determine the monomer composition and the amount of electricity for obtaining an appropriate film thickness.

また、オリゴ糖は、天然に存在するものでも存在しないものであってもよく、さらにオリゴ糖の一部が修飾されたものであってもよい。 Further, the oligosaccharide may be naturally occurring or non-existent, and may be a partially modified oligosaccharide.

このようなオリゴ糖としては、例えば、N結合型糖蛋白質糖鎖、O結合型糖蛋白質糖鎖、多糖類、シクロデキストリンなどが挙げられる。中でも、ウィルス検出を目的としたオリゴ糖としては、シアル酸を含有するオリゴ糖であることが好ましい。シアル酸を含有するオリゴ糖としては、例えば、A型インフルエンザウィルスを捕捉するα2,6−シアリルラクトース(Neu5Ac(α2,6)Gal(β1,4)Glc)、鳥インフルエンザウィルスを捕捉するα2,3−シアリルラクトース(Neu5Ac(α2,3)Gal(β1,4)Glc)、ヒトコロナウィルスを捕捉するシアリル2,6−ガラクトース(Neu5,9Ac((α2,6)Gal)、ウシコロナウィルスを捕捉するシアリル2,3−ガラクトースNeu5,9Ac((α2,3)Gal)、マウス肝炎ウィルスを捕捉するシアル酸残基(Neu4,5Ac)、アデノウィルスを捕捉するガングリオシド(GD1a)(Neu4Acα2,3Galβ1,3GalNAcβ1,4(Neu4Acα2,3)Galβ1,4Glc−OH)が挙げられる。
これらの中でも、インフルエンザウィルスを捕捉するオリゴ糖は、ヒトや鳥などの特定の種に感染する特定のインフルエンザウィルスを選択的に捕捉することができ、前記オリゴ糖を用いたデバイスをバイオセンサとした場合に、高感度で検出できる。
Examples of such oligosaccharides include N-linked glycoprotein sugar chains, O-linked glycoprotein sugar chains, polysaccharides, cyclodextrin and the like. Among them, the oligosaccharide for virus detection is preferably an oligosaccharide containing sialic acid. Examples of oligosaccharides containing sialic acid include α2,6-sialyllactose (Neu5Ac (α2,6) Gal (β1,4) Glc) that captures type A influenza virus, and α2,3 that captures bird influenza virus. -Sialyl lactose (Neu5Ac (α2,3) Gal (β1,4) Glc), sialyl 2,6-galactose (Neu5,9Ac 2 ((α2,6) Gal), which captures human coronavirus, and bovine coronavirus Sialyl 2,3-galactose Neu5,9Ac 2 ((α2,3) Gal), sialic acid residue that captures mouse hepatitis virus (Neu4,5Ac 2 ), ganglioside that captures adenovirus (GD1a) (Neu4Acα2,3Galβ1, Examples thereof include 3GalNAcβ1,4 (Neu4Acα2,3) Galβ1,4Glc-OH).
Among these, oligosaccharides that capture influenza virus can selectively capture specific influenza viruses that infect specific species such as humans and birds, and the device using the oligosaccharide was used as a biosensor. In some cases, it can be detected with high sensitivity.

ここで、Gal、Neu、Glc、GalNAcは糖残基の種類を表し、Galはガラクトース残基、Neuはシアル酸残基であるNアセチルノイラミン酸残基、Glcはグルコース残基、GalNAcはN−アセチルガラクトサミン残基を表す。また、各糖残基間の表記は、結合の様式及び結合位置を示す。例えばNeu4Acα2,3Glcであれば、Neu4Acの2位とGlcの3位とが、αでグリコシド結合していることを表す。また、Neu4,5Acとは、Nアセチルノイラミン酸残基の4位と5位にアセチル基が結合していることを示す。Here, Gal, Neu, Glc, and GalNAc represent the types of sugar residues, Gal is a galactose residue, Neu is an N-acetylneuraminic acid residue which is a sialic acid residue, Glc is a glucose residue, and GalNAc is N. -Represents an acetylgalactosamine residue. In addition, the notation between each sugar residue indicates the mode of binding and the binding position. For example, in the case of Neu4Acα2,3Glc, it means that the 2-position of Neu4Ac and the 3-position of Glc are glycosidic-bonded at α. Further, Neu4,5Ac 2 indicates that an acetyl group is bonded to the 4- and 5-positions of the N-acetylneuraminic acid residue.

上記のオリゴ糖は、天然物から公知の方法によって調製してもよいし、公知の方法によって化学的あるいは酵素的に調製してもよい。また、市販されているものをそのまま、あるいは化学的あるいは酵素的に誘導して調製してもよい。市販されているものとしては、例えばα2,3−シアリルラクトース及びα2,6−シアリルラクトースが挙げられる。 The above oligosaccharides may be prepared from natural products by a known method, or may be chemically or enzymatically prepared by a known method. Alternatively, a commercially available product may be prepared as it is, or may be chemically or enzymatically induced. Examples of commercially available products include α2,3-sialyllactose and α2,6-sialyllactose.

オリゴ糖と中間層形成材料とが結合する場合のオリゴ糖における結合の位置は、本発明の効果を奏する限り特に限定されず、中間層形成材料と、オリゴ糖を構成する糖残基のどの部位とが結合してもよい。しかし、中間層形成材料との結合のしやすさからは、オリゴ糖の還元可能なヘミアセタール構造を有する末端の炭素と、中間層形成材料との結合であることが好ましい。ここで、中間層形成材料がオキシルアミノ末端を有している場合、オリゴ糖の還元末端のヘミアセタールが、還元条件によって容易にアルデヒドとなるので、該アルデヒドが、中間層形成材料の表面のオキシルアミノ基と反応することにより、安定なオキシム構造を形成することができる。
また、上記のオキシルアミノ基は、他の官能基よりもオリゴ糖と結合しやすく、さらにこの結合によって水溶液中で安定であるオキシムを生じる。このため、中間層形成材料としてオキシルアミノ基と他の官能基を有している化合物、あるいは、オキシルアミノ基を有する化合物と他の官能基を有する複数種類の化合物を混合して用いることにより、オリゴ糖とオキシルアミノ基とのみ結合させて、オリゴ糖と他の官能基とを結合させないようにすることができるので、導電層に固定された分子の他の官能基にオリゴ糖以外の置換基を導入することが可能となる。
When the oligosaccharide and the intermediate layer forming material are bound, the position of the binding in the oligosaccharide is not particularly limited as long as the effect of the present invention is obtained, and which part of the intermediate layer forming material and the sugar residue constituting the oligosaccharide is present. May be combined with. However, from the viewpoint of ease of bonding with the intermediate layer forming material, it is preferable that the carbon at the terminal having a reducible hemiacetal structure of the oligosaccharide is bonded to the intermediate layer forming material. Here, when the intermediate layer forming material has an oxylamino terminal, the hemiacetal at the reducing end of the oligosaccharide easily becomes an aldehyde depending on the reducing conditions, so that the aldehyde is an oxime on the surface of the intermediate layer forming material. By reacting with the amino group, a stable oxime structure can be formed.
In addition, the oxylamino group is more likely to bind to oligosaccharides than other functional groups, and this binding produces an oxime that is stable in aqueous solution. Therefore, as an intermediate layer forming material, a compound having an oxylamino group and another functional group, or a compound having an oxylamino group and a plurality of types of compounds having another functional group are mixed and used. Since it is possible to bind only the oligosaccharide and the oxylamino group so as not to bind the oligosaccharide to other functional groups, a substituent other than the oligosaccharide is attached to the other functional group of the molecule immobilized on the conductive layer. Can be introduced.

中間層へのオリゴ糖の結合は、本発明の効果を奏する限り特に限定されないが、例えば、SAMを構成する官能基に、国際公開第2004058687号に記載の“グライコブロッティング法”を使用してオリゴ糖を導入することができる。この場合に、例えば、オリゴ糖と中間層のオキシルアミノ基とを反応させる場合の反応の条件としては、50℃〜70℃で140分間〜240分間であることが好ましい。また、グライコブロッティング法の使用においては、市販のキット、例えば、住友ベークライト社製のキット(BlotGlyco)を利用できる。 The binding of the oligosaccharide to the intermediate layer is not particularly limited as long as the effect of the present invention is exhibited, but for example, the functional group constituting the SAM is made into an oligo by using the "Glycoblotting method" described in International Publication No. 2004058687. Sugar can be introduced. In this case, for example, the reaction conditions for reacting the oligosaccharide with the oxylamino group in the intermediate layer are preferably 50 ° C. to 70 ° C. for 140 minutes to 240 minutes. Further, in using the Glyco blotting method, a commercially available kit, for example, a kit manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd. (Blot Glyco) can be used.

本発明のバイオセンサの検査対象となるウィルス又は細菌は、オリゴ糖によって捕捉されるうるウィルス又は細菌であれば特に限定されない。このような細菌としては、マイコプラズマ、結核菌、レンサ球菌、百日咳菌、レジオネラ菌、緑膿菌、各種病原性大腸菌、ウェルシュ菌、破傷風菌、ディフシル菌、ヘリコバクターピロリ菌、赤痢菌、髄膜炎菌などの病原性を有し、かつオリゴ糖によって捕捉されうる可能性のある細菌が挙げられる。また、一部の乳酸菌(ビフィズス菌を含む)や病原性を有しない細菌も、オリゴ糖によって捕捉されうる可能性のある細菌は、本発明のバイオセンサの検査対象となり得る。
また、ウィルスとしては、インフルエンザウィルス、パラインフルエンザウィルス、ノロウィルス、アデノウィルス、デングウィルス、ヘルペスウィルス、コロナウィルス、ライノウィルス、マウス肝炎ウィルス(MHV)などのオリゴ糖によって捕捉されうる可能性のあるウィルスは、本発明のバイオセンサの検査対象となり得る。
The virus or bacterium to be tested by the biosensor of the present invention is not particularly limited as long as it is a virus or bacterium that can be captured by oligosaccharides. Such bacteria include Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium tuberculosis, Bordetella pertussis, Regionella, Pseudomonas aeruginosa, various pathogenic Escherichia coli, Welsh, Clostridium tetani, Diffcil, Helicobacter pylori, Shigella, and Meningococcus. Bacteria that are pathogenic and may be captured by oligosaccharides. In addition, some lactic acid bacteria (including bifidobacteria) and non-pathogenic bacteria that may be captured by oligosaccharides can be tested by the biosensor of the present invention.
In addition, as viruses, viruses that may be captured by oligosaccharides such as influenza virus, parainfluenza virus, norovirus, adenovirus, dengue virus, herpes virus, corona virus, rhinovirus, and mouse hepatitis virus (MHV) are , Can be the subject of inspection of the biosensor of the present invention.

また、バイオセンサに供する細菌の濃度は、公知の方法、例えば、一定体積中の菌数で表すことができ、菌数は濁度やコロニー形成単位(cfu)で求めることができる。これにより、バイオセンサで検出された電位等の大きさによって、検体中のオリゴ糖に捕捉された細菌の存在及びその濃度を算出することができる。
ウィルスは種類や型によって生体への感染力が異なるため、物理的なウィルスの量(単位体積あたりのウィルスの個数)と感染力の関係は一定でない。そのため、感染力を示す指標であるウィルス力価を使用することとする。検体に対してバイオセンサで電位等の大きさを測定し、その電位と予め算出された力価での電位の検量線とを比較することにより、検体に含まれるウィルス量を把握することができる。例えば、インフルエンザウィルスの場合には、赤血球凝集アッセイなどにより求められる力価での電位等の大きさと、検体の電位の大きさとを比較することで、検体に含まれるウィルスを力価の観点から定量的に判断することができる。
In addition, the concentration of bacteria used in the biosensor can be expressed by a known method, for example, the number of bacteria in a certain volume, and the number of bacteria can be determined by turbidity or colony forming unit (cfu). As a result, the presence and concentration of bacteria captured by oligosaccharides in the sample can be calculated from the magnitude of the electric potential or the like detected by the biosensor.
Since viruses have different infectivity to living organisms depending on the type and type, the relationship between the physical amount of virus (the number of viruses per unit volume) and the infectivity is not constant. Therefore, the virus titer, which is an index showing infectivity, is used. The amount of virus contained in the sample can be grasped by measuring the magnitude of the electric potential or the like with a biosensor for the sample and comparing the potential with the calibration curve of the potential at the titer calculated in advance. .. For example, in the case of influenza virus, the virus contained in the sample is quantified from the viewpoint of titer by comparing the magnitude of the potential at the titer obtained by the hemagglutination assay and the magnitude of the potential of the sample. Can be judged.

≪バイオセンサ≫
本発明のバイオセンサは、上記のバイオセンサ用デバイスを備える。前記バイオセンサは、前記デバイスのオリゴ糖が特定のウィルス又は細菌を捕捉することによって、当該ウィルス又は細菌を検出することができる限り、バイオセンサ用デバイスをどのような形態で備えていてもよい。例えば、1種類のウィルス又は細菌を検出する目的であれば、バイオセンサは1つのバイオセンサ用デバイスを備えていることで対応できる。また、バイオセンサを、複数種類のウィルス又は細菌を検出するために用いるのであれば、バイオセンサは、バイオセンサ用デバイスを複数備え、それぞれのバイオセンサ用デバイスのオリゴ糖が、互いに異なった特定のウィルス又は細菌を選択的に捕捉するオリゴ糖であってよい。
この場合のオリゴ糖としての種類は上述のように、標的とするウィルス又は細菌の種類によって適宜選択されることが好ましい。異なった種類のオリゴ糖が配置されたバイオセンサ用デバイスであることで、異なった種類のウィルス又は細菌を選択的に感度よく検出することができる。
≪Biosensor≫
The biosensor of the present invention includes the above-mentioned biosensor device. The biosensor may include a biosensor device in any form as long as the oligosaccharide of the device can detect the virus or bacterium by capturing the specific virus or bacterium. For example, for the purpose of detecting one type of virus or bacterium, the biosensor can be supported by having one device for the biosensor. Further, if the biosensor is used to detect a plurality of types of viruses or bacteria, the biosensor is provided with a plurality of biosensor devices, and the oligosaccharides of the biosensor devices are specific to each other. It may be an oligosaccharide that selectively captures viruses or bacteria.
As described above, the type of oligosaccharide in this case is preferably appropriately selected depending on the type of target virus or bacterium. By using a biosensor device in which different types of oligosaccharides are arranged, different types of viruses or bacteria can be selectively and sensitively detected.

また、バイオセンサは、バイオセンサ用デバイスの導電層上に固定化されたオリゴ糖の密度(mol/mm)の異なる複数種類のデバイスを備えてもよい。オリゴ糖の密度が異なったバイオセンサ用デバイスを備えることで、複数のウィルス又は細菌に対する選択性や検出感度を向上させることができる。
また、異なった種類のオリゴ糖のそれぞれについて、異なった密度で配置されたバイオセンサ用デバイスを備えたバイオセンサであってもよい。
Further, the biosensor may include a plurality of types of devices having different densities (mol / mm 2 ) of oligosaccharides immobilized on the conductive layer of the biosensor device. By providing biosensor devices having different densities of oligosaccharides, it is possible to improve the selectivity and detection sensitivity to a plurality of viruses or bacteria.
It may also be a biosensor equipped with biosensor devices arranged at different densities for each of the different types of oligosaccharides.

また、上記のバイオセンサ用デバイスを備えたバイオセンサは、特定のウィルス又は細菌を検出することができる限り、前記デバイスから得られるどのような変化に基いてウィルス又は細菌を検出してもよいが、ウィルス又は細菌を選択的に感度よく検出するという観点からは、電位、振動数及び屈折率から選択されるいずれか一つの変化に基いてウィルス又は細菌を検出することができる。電位の変化としては、FETによって得られる変化が挙げられる。振動数の変化としては、水晶発振子マイクロバランス(Quartz Crystal Microbalance、以下、QCMという)によって得られる変化が挙げられる。また、屈折率の変化としては、表面プラズモン共鳴(Surface Plasmon Resonance、以下、SPRという)によって得られる変化が挙げられる。
この中でも特に電位の変化に基いてウィルス又は細菌を検出することがより好ましい。また、電位の変化は、FETによって得られる変化であることが好ましい。
In addition, the biosensor provided with the above-mentioned biosensor device may detect a virus or a bacterium based on any change obtained from the device as long as it can detect a specific virus or bacterium. From the viewpoint of selectively and sensitively detecting a virus or a bacterium, the virus or a bacterium can be detected based on any one change selected from the potential, frequency and refractive index. Examples of the change in potential include changes obtained by FET. Examples of the change in frequency include a change obtained by a quartz crystal microbalance (hereinafter referred to as QCM). In addition, examples of the change in the refractive index include changes obtained by surface plasmon resonance (hereinafter referred to as SPR).
Of these, it is more preferable to detect a virus or a bacterium based on a change in electric potential. Further, the change in potential is preferably a change obtained by FET.

また、以下、FETによって得られる電位の変化に基いてウィルス又は細菌を検出するバイオセンサを、FETバイオセンサと称し、QCMによって得られる振動数の変化に基いてウィルス又は細菌を検出するバイオセンサを、QCMバイオセンサと称し、SPRによって得られる屈折率の変化に基いてウィルス又は細菌を検出するバイオセンサを、SPRバイオセンサと称する。 Hereinafter, a biosensor that detects a virus or a bacterium based on a change in potential obtained by an FET is referred to as an FET biosensor, and a biosensor that detects a virus or a bacterium based on a change in frequency obtained by a QCM is referred to as a biosensor. , A QCM biosensor, and a biosensor that detects a virus or a bacterium based on a change in the refractive index obtained by SPR is referred to as an SPR biosensor.

また、FETバイオセンサが有する電極の形態としては、例えば、フローティングゲート型、延長ゲート型などが挙げられる。中でも延長ゲート型の電極は、検出における操作性に優れる。なお、延長ゲート型の電極を有するFETバイオセンサを、延長ゲート型FETバイオセンサと称することがある。 Further, examples of the electrode form of the FET biosensor include a floating gate type and an extension gate type. Among them, the extension gate type electrode is excellent in operability in detection. An FET biosensor having an extension gate type electrode may be referred to as an extension gate type FET biosensor.

以下、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

(第1実施形態)
<バイオセンサ用デバイス>
図1(A)は、FETバイオセンサに用いられるバイオセンサ用デバイスの構成例を示す模式図である。図1(A)に示すように、バイオセンサ用デバイス10は、導電層を構成する金電極12上に、オリゴ糖16と結合してオキシム(−O−N=C−)を形成しているアルキルチオール化合物、及びオリゴ糖と結合していない官能基18を有するアルキルチオール化合物が、それぞれチオール基で固定されていることで、中間層であるSAM14を形成している。また、オリゴ糖であるα2,6−シアリルラクトースのグルコースの還元末端の炭素が、前記アルキルチオールと結合している。
SAM14は、導電層の片側の表面すべてに配置されていてもよいし、該表面の一定面積だけに配置されていてもよい。なお、中間層は、SAM以外のものでもよい。
(First Embodiment)
<Device for biosensor>
FIG. 1A is a schematic diagram showing a configuration example of a biosensor device used in an FET biosensor. As shown in FIG. 1A, the biosensor device 10 forms an oxime (−ON = C−) on the gold electrode 12 constituting the conductive layer by binding with the oligosaccharide 16. The alkylthiol compound and the alkylthiol compound having a functional group 18 not bonded to the oligosaccharide are each fixed with a thiol group to form the intermediate layer SAM14. Further, the carbon at the reducing end of glucose of α2,6-sialyllactose, which is an oligosaccharide, is bonded to the alkylthiol.
The SAM 14 may be arranged on the entire surface of one side of the conductive layer, or may be arranged only in a certain area of the surface. The intermediate layer may be something other than SAM.

また、金電極12の層の厚さは、FETバイオセンサとした場合の、検出感度の点から、0.05μm〜1μmであることが好ましい。
さらに、FETバイオセンサに用いるバイオセンサ用デバイスのプローブ層厚としては、検出感度の点から、1nm〜10nmであることが好ましい。さらに、1nm〜5nmであることがより好ましい。
Further, the thickness of the layer of the gold electrode 12 is preferably 0.05 μm to 1 μm from the viewpoint of detection sensitivity in the case of an FET biosensor.
Further, the probe layer thickness of the biosensor device used for the FET biosensor is preferably 1 nm to 10 nm from the viewpoint of detection sensitivity. Further, it is more preferably 1 nm to 5 nm.

上記のバイオセンサ用デバイスを用いたセンサとしたときに高感度の測定が出来る理由については、以下のように考えることができる。通常のレクチンにおいて、糖鎖との親和性(解離定数)は10−2〜10−5オーダーであるが、こうした糖鎖認識部位はウィルスや細菌上に数多く存在している。このため、該センサの表面上にある複数のオリゴ糖と、上記レクチンの糖鎖認識部位とが多点で相互作用するために、該ウィルス等がセンサの電極表面に強く吸着し、それが電位変化としてあらわれて、効果的に検出感度が向上するものと推測される。The reason why high-sensitivity measurement can be performed when a sensor using the above biosensor device is used can be considered as follows. In ordinary lectins, the affinity (dissociation constant) with sugar chains is on the order of 10-2 to 10-5 , and many such sugar chain recognition sites are present on viruses and bacteria. Therefore, since the plurality of oligosaccharides on the surface of the sensor and the sugar chain recognition site of the lectin interact at multiple points, the virus or the like is strongly adsorbed on the electrode surface of the sensor, which causes an electric potential. It is presumed that it appears as a change and the detection sensitivity is effectively improved.

<FETバイオセンサ>
FETバイオセンサは、ウィルス又は細菌が有する電荷によって変化する電位に基づいてウィルス又は細菌を検出するバイオセンサであり、具体的には、ウィルス又は細菌がオリゴ糖に捕捉されることにより生じるバイオセンサ表面上の微弱な電位変化を測定することができる。
FETバイオセンサを用いたウィルス又は細菌の検出については、標的とするウィルス又は細菌を捕捉可能なオリゴ糖が固定化された電極(以下、プローブ固定電極と称することがある)を、ウィルス又は細菌を含有する溶液(以下、検体溶液と称することがある)中に浸すことで、オリゴ糖がウィルス又は細菌を捕捉し、捕捉したウィルス又は細菌の電気信号を電位の変化で捕らえる。
<FET biosensor>
The FET biosensor is a biosensor that detects a virus or a bacterium based on a potential that changes depending on the electric charge of the virus or the bacterium. Specifically, the biosensor surface generated when the virus or the bacterium is captured by an oligosaccharide. The above weak potential change can be measured.
For detection of a virus or bacterium using an FET biosensor, an electrode on which an oligosaccharide capable of capturing the target virus or bacterium is immobilized (hereinafter, may be referred to as a probe-fixed electrode) is used as a virus or bacterium. By immersing in a contained solution (hereinafter, may be referred to as a sample solution), the oligosaccharide captures a virus or a bacterium, and the electric signal of the captured virus or the bacterium is captured by a change in potential.

捕捉したウィルス又は細菌の電気信号を電位の変化で捕らえる電位方式は、オリゴ糖が、電荷を有するウィルス又は細菌を捕捉することにより生じる電極(固体)と溶液(液体)との固/液界面(固液界面とも称する)の電位の変化(表面電荷密度の変化)を検出するものである。 The electric potential method that captures the electrical signal of the captured virus or bacterium by the change of electric potential is the solid / liquid interface between the electrode (solid) and the solution (liquid) that is generated by the oligosaccharide capturing the charged virus or bacterium. It detects changes in potential (changes in surface charge density) at the solid-liquid interface.

ウィルス又は細菌の検出においては、捕捉したウィルス又は細菌の電気信号を電流の変化で捕らえる電流方式を適用してもよい。
電流方式では、通常、電極上での酸化還元反応を利用する手法がとられる。しかしながら、ウィルス又は細菌を含む溶液中に、酸化物質または還元物質(例えば、アスコルビン酸)が存在すると、酸化または還元に基づく電流が流れ、ウィルス又は細菌の検出が妨げられる場合がある。また、電流計測に伴い、電極上で電極反応が進行する。電極反応は不可逆で非平衡反応であるため、電極の腐食、ガスの生成等が生じ、電流測定の安定性が損なわれ、特に繰返し測定する場合に検出精度が劣化することがある。
従って、オリゴ糖が捕捉したウィルス又は細菌の電気信号は、電位の変化で捕らえることが好ましい。
In the detection of a virus or a bacterium, a current method that captures an electric signal of the captured virus or a bacterium by a change in an electric current may be applied.
In the current method, a method that utilizes a redox reaction on an electrode is usually adopted. However, the presence of an oxidizing or reducing substance (eg, ascorbic acid) in a solution containing a virus or bacterium may cause an electric current based on the oxidation or reduction to flow, which may hinder the detection of the virus or bacterium. In addition, the electrode reaction proceeds on the electrode with the current measurement. Since the electrode reaction is an irreversible and non-equilibrium reaction, corrosion of the electrode, generation of gas, etc. occur, the stability of current measurement is impaired, and the detection accuracy may deteriorate especially in the case of repeated measurement.
Therefore, it is preferable that the electrical signal of the virus or bacterium captured by the oligosaccharide is captured by the change in electric potential.

FETバイオセンサは、本発明のバイオセンサ用デバイスの導電層をゲート電極として適用した電界効果トランジスタ(FET)であり、ゲート電極以外の構成は公知の電界効果トランジスタの構成を用いることができる。FETバイオセンサの構成例を、図1(B)を用いて説明する。
図1(B)は、フローティングゲート型の電極を備えたFETバイオセンサの構成例を示す側面模式図である。なお、フローティングゲート型のFETバイオセンサを、フローティングゲート型FETバイオセンサと称することがある。
図1(B)に示すように、フローティングゲート型FETバイオセンサ20は、シリコン基板32中にソース22S、ドレイン24Dが離間して配置され、前記シリコン基板32、酸化ケイ素で形成された層28、窒化ケイ素で形成された層26、及びゲート電極として、上記のバイオセンサ用デバイス10がこの順で積層された構造を有する。この場合に、酸化ケイ素で形成された層28及び窒化ケイ素で形成された層26はゲート絶縁膜として機能する層である。
トランジスタにおいては、一般に、ドレイン−ソース間のチャネル領域上にフローティング電極を形成し、フローティング電極によって電位を検出する。従って、フローティングゲート型FETバイオセンサ20では、バイオセンサ用デバイス10の垂直下方の領域に、ドレイン24Dおよびソース22Sの間のチャネル領域が位置している。
The FET biosensor is a field effect transistor (FET) in which the conductive layer of the biosensor device of the present invention is applied as a gate electrode, and a known field effect transistor configuration can be used for configurations other than the gate electrode. A configuration example of the FET biosensor will be described with reference to FIG. 1 (B).
FIG. 1B is a side schematic view showing a configuration example of a FET biosensor provided with a floating gate type electrode. The floating gate type FET biosensor may be referred to as a floating gate type FET biosensor.
As shown in FIG. 1 (B), in the floating gate type FET biosensor 20, the source 22S and the drain 24D are arranged apart from each other in the silicon substrate 32, and the silicon substrate 32 and the layer 28 formed of silicon oxide are formed. The layer 26 made of silicon nitride and the above-mentioned biosensor device 10 are laminated in this order as a gate electrode. In this case, the layer 28 formed of silicon oxide and the layer 26 formed of silicon nitride are layers that function as a gate insulating film.
In a transistor, a floating electrode is generally formed on a channel region between a drain and a source, and a potential is detected by the floating electrode. Therefore, in the floating gate type FET biosensor 20, the channel region between the drain 24D and the source 22S is located in the region vertically below the biosensor device 10.

図1の(B)に示す層構成とすることで、バイオセンサは、標的となるウィルス又は細菌を選択的にかつ感度よく検出することができる。 With the layer structure shown in FIG. 1B, the biosensor can selectively and sensitively detect the target virus or bacterium.

図2は、図1の(A)で表されるバイオセンサ用デバイス10を、延長ゲート型FETバイオセンサのプローブ固定電極として備えたFETバイオセンサ40を説明するための模式図である。なお、プローブ固定電極部10aは、バイオセンサ用デバイス10と同様の構成である。
図2において、延長ゲート型FETバイオセンサ40は、シリコン基板46と、シリコン基板46の一部に、離間して設けられているドレイン44Dおよびソース42Sと、シリコン基板46、ドレイン44Dおよびソース42Sの上に設けられているゲート絶縁膜48と、ゲート絶縁膜47と、を備えている。また、ゲート絶縁膜48の内部に、ゲート電極15として、導電性多結晶シリコンで形成されたゲート電極部13を備えている。さらに、プローブ固定電極部10aは、ゲート電極部13と接続されて、ゲート電極15を構成する。
このように、プローブ固定電極部10aに接続したゲート電極部13を備えることで、ドレイン44Dおよびソース42Sの間のチャネル領域を、上記のフローティング電極のように、プローブ固定電極の垂直下方の領域に位置づける必要がなく、プローブ固定電極部10aに接続したゲート電極部13を、位置にとらわれず自由に形成することができる。また、ゲート電極部13は、導電性を有する材料で形成されているので、延長ゲート型FETバイオセンサにおいての、プローブ固定電極部10a以外の部分とプローブ固定電極部10aとの間の形状は自由に設定できる。また、図2には、ゲート電極部13は多結晶シリコンを用いて形成されているが、ゲート電極部13を形成する材料は、導電性を有するものであれば、所望とする形状等を考慮して、適宜選択されるのが好ましい。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the FET biosensor 40 provided with the biosensor device 10 represented by FIG. 1A as a probe fixed electrode of the extension gate type FET biosensor. The probe fixed electrode portion 10a has the same configuration as the biosensor device 10.
In FIG. 2, the extension gate type FET biosensor 40 includes a silicon substrate 46, a drain 44D and a source 42S provided apart from each other in a part of the silicon substrate 46, and a silicon substrate 46, a drain 44D, and a source 42S. It includes a gate insulating film 48 provided above and a gate insulating film 47. Further, inside the gate insulating film 48, a gate electrode portion 13 made of conductive polycrystalline silicon is provided as the gate electrode 15. Further, the probe fixed electrode portion 10a is connected to the gate electrode portion 13 to form the gate electrode 15.
By providing the gate electrode portion 13 connected to the probe fixed electrode portion 10a in this way, the channel region between the drain 44D and the source 42S is set to the region vertically below the probe fixed electrode like the above floating electrode. It is not necessary to position the gate electrode portion 13 connected to the probe fixed electrode portion 10a, and the gate electrode portion 13 can be freely formed regardless of the position. Further, since the gate electrode portion 13 is made of a conductive material, the shape between the portion other than the probe fixed electrode portion 10a and the probe fixed electrode portion 10a in the extended gate type FET biosensor is free. Can be set to. Further, in FIG. 2, the gate electrode portion 13 is formed by using polycrystalline silicon, but if the material forming the gate electrode portion 13 has conductivity, a desired shape or the like is taken into consideration. Therefore, it is preferable that the material is appropriately selected.

フローティングゲート型FETバイオセンサ及び延長ゲート型FETバイオセンサにおいて、ゲート絶縁膜28,48は、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、酸化アルミニウム(Al)、酸化タンタル(Ta)などの材料を単独または組み合わせて用い、通常はトランジスタ動作を良好に保つため、酸化シリコン(SiO)の上に窒化シリコン(SiN)、酸化アルミニウム(Al)あるいは酸化タンタル(Ta)を積層した二層構造とする。
ゲート電極部13は、ポリシリコン(Poly−Si)が望ましく、ポリシリコンゲートを通してイオン注入によるソース42D、ドレイン44Dを形成する、いわゆるセルフアラインプロセスとの整合性がよい。
電極12は、金、白金、銀、パラジウムなどの貴金属、あるいは、カーボン材料などの導電性物質を用いることができる。
なお、カーボン材料としては、具体的には、例えば、グラッシーカーボン、グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブなどのような導電性カーボン材料が挙げられる。
In the floating gate type FET biosensor and the extended gate type FET biosensor, the gate insulating films 28 and 48 are silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and tantalum oxide (Ta 2 ). Materials such as O 5 ) are used alone or in combination, usually in order to maintain good transistor operation, on top of silicon oxide (SiO 2 ) silicon dioxide (SiN), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or tantalum oxide (Al 2 O 3 ). It has a two-layer structure in which Ta 2 O 5 ) is laminated.
Polysilicon (Poly-Si) is desirable for the gate electrode portion 13, and the gate electrode portion 13 has good consistency with a so-called self-alignment process in which a source 42D and a drain 44D are formed by ion implantation through a polysilicon gate.
For the electrode 12, a noble metal such as gold, platinum, silver or palladium, or a conductive substance such as a carbon material can be used.
Specific examples of the carbon material include conductive carbon materials such as glassy carbon, graphite, graphene, and carbon nanotubes.

延長ゲート型FETバイオセンサにおいて、ゲート電極部13は、配線としてもよく、この場合に、低抵抗でエッチングなど加工性の良い材料が好ましく、その材料としてはポリシリコン(Poly−Si)、アルミニウム、モリブデンなどを用いることができる。
また、ゲート電極部13とゲート電極部13に接続した電極12とを、例えば金のような同じ材料で形成することもできる。
In the extended gate type FET biosensor, the gate electrode portion 13 may be used as wiring. In this case, a material having low resistance and good workability such as etching is preferable, and the material is polysilicon (Poly-Si), aluminum, or the like. Molybdenum or the like can be used.
Further, the gate electrode portion 13 and the electrode 12 connected to the gate electrode portion 13 can be formed of the same material such as gold.

また、ウィルス又は細菌の検出に用いるFETバイオセンサは、上記のようなFETバイオセンサの構成そのものを用いてもよいが、図3の(A)に示すように、例えば、上記の延長ゲート型FETバイオセンサ10bを入力段の一部に用いた集積回路により演算増幅器(オペアンプ)を構成して、FETバイオセンサ50としてもよい。
また、FETバイオセンサは、図3の(B)に示すように、図3の(A)で示したような機能に、さらに、延長ゲート型トランジスタ63、位相補償キャパシタ62、差動増幅器64、増幅回路66及び出力バッファソースフォロア68等を備えて高機能化したFETバイオセンサ60としてもよい。
Further, as the FET biosensor used for detecting a virus or a bacterium, the above-mentioned configuration of the FET biosensor itself may be used, but as shown in FIG. 3A, for example, the above-mentioned extended gate type FET. An operational amplifier (op amp) may be configured by an integrated circuit using the biosensor 10b as a part of the input stage to form the FET biosensor 50.
Further, as shown in FIG. 3B, the FET biosensor has the functions shown in FIG. 3A, and further includes an extension gate type transistor 63, a phase compensation capacitor 62, and a differential amplifier 64. A highly functional FET biosensor 60 may be provided with an amplifier circuit 66, an output buffer source follower 68, or the like.

上記のように高機能化したFETバイオセンサは、ウィルス又は細菌の捕捉の有無によって生じる微弱な電位の違いを、より高感度で検出することができる。また、図3に示したようなFETバイオセンサは、オリゴ糖を固定化したバイオセンサ用デバイス(プローブ固定電極10b)を、トランジスタから着脱することができ、プローブ固定電極10bのみで交換可能となるので、バイオセンサとしての経済性及び使用性に優れている。 The highly functional FET biosensor as described above can detect a weak potential difference caused by the presence or absence of virus or bacterium capture with higher sensitivity. Further, in the FET biosensor as shown in FIG. 3, the biosensor device (probe fixing electrode 10b) on which the oligosaccharide is immobilized can be attached to and detached from the transistor, and can be replaced only by the probe fixing electrode 10b. Therefore, it is excellent in economy and usability as a biosensor.

また、上記のFETバイオセンサによるウィルス又は細菌の検出は塩濃度を低くした状態で行う必要があるため、例えば、検体溶液を適宜希釈し、プローブ固定電極を浸漬させたり、検体溶液を前記電極上に滴下したりすることで行うことができる。この場合に、希釈前の検体溶液に含まれるウィルスや細菌の濃度が、検出において重要となるが、例えば、インフルエンザウィルスの場合では、ウィルス力価において、1/100HAU〜10HAUの条件で検出可能であることが望ましい。本発明のバイオセンサは、従来のイムノクロマトグラフィーよりも低いウィルス濃度で迅速に検出できるため、従来法に代わる迅速な高感度検出法であると言える。HAUは、ウィルスの力価を表す。ウィルスの力価は、公知の血液凝集アッセイによって求めることができる。 Further, since it is necessary to detect viruses or bacteria by the above-mentioned FET biosensor in a state where the salt concentration is low, for example, the sample solution is appropriately diluted and the probe fixing electrode is immersed, or the sample solution is placed on the electrode. It can be done by dropping it on. In this case, the concentration of virus or bacterium contained in the sample solution before dilution is important for detection. For example, in the case of influenza virus, the virus titer can be detected under the condition of 1/100 HAU to 10 HAU. It is desirable to have. Since the biosensor of the present invention can be rapidly detected at a lower virus concentration than the conventional immunochromatography, it can be said that it is a rapid high-sensitivity detection method that replaces the conventional method. HAU represents the titer of the virus. The titer of the virus can be determined by a known blood agglutination assay.

(第2実施形態)
<QCMバイオセンサ>
QCMバイオセンサは、少なくとも、バイオセンサ用デバイスであるプローブ固定電極と、水晶振動子と、水晶振動子の振動を検出する発振回路とを有して構成され、水晶振動子マイクロバランス法に基づき、ウィルス又は細菌を検出するバイオセンサである。
ここで、水晶振動子マイクロバランス法とは、薄い板状の水晶の両面に電極を取り付けた積層体を用い、各電極に交流電場を印加すると、水晶振動子が一定の周波数(共振周波数)で振動する性質を利用して、電極に付着した物質の質量を測定する手法である。
QCMバイオセンサでは、水晶振動子に隣接する電極にウィルス又は細菌が付着すると、付着したウィルス又は細菌の質量に応じて共振周波数が低下する性質を利用し、付着したウィルス又は細菌の質量変化を計測することで、付着したウィルス又は細菌を検出することができる。
QCMバイオセンサの構成例を、図4を用いて説明する。
(Second Embodiment)
<QCM biosensor>
The QCM biosensor is configured to include at least a probe fixed electrode which is a device for a biosensor, a crystal oscillator, and an oscillation circuit for detecting the vibration of the crystal oscillator, and is based on the quartz crystal microbalance method. A biosensor that detects viruses or bacteria.
Here, the crystal oscillator microbalance method uses a laminated body in which electrodes are attached to both sides of a thin plate-shaped crystal, and when an AC electric field is applied to each electrode, the crystal oscillator has a constant frequency (resonance frequency). This is a method of measuring the mass of a substance attached to an electrode by utilizing the vibrating property.
The QCM biosensor measures the mass change of the attached virus or bacterium by utilizing the property that the resonance frequency decreases according to the mass of the attached virus or bacterium when the virus or bacterium adheres to the electrode adjacent to the crystal oscillator. By doing so, the attached virus or bacterium can be detected.
A configuration example of the QCM biosensor will be described with reference to FIG.

図4には、金電極112bと、水晶振動子(水晶板)118と、金電極112aと、中間層であるSAM114とが、この順に積層され、SAM114にオリゴ糖116が結合されたQCMバイオセンサ100が示されている。電極112aと電極112bには、図示しない発振回路が導線により繋がっている。このように、QCMバイオセンサ100がQCMバイオセンサ用デバイスを備えている。
また、QCMバイオセンサ用デバイスは、上記のFETバイオセンサ用デバイス10と同様である。
電極112aと、電極112bとは、特に区別されず、どちらがオリゴ糖116を結合した電極(プローブ固定電極)になってもよいし、電極112aと、電極112bとの両方がプローブ固定電極になってもよい。
In FIG. 4, a QCM biosensor in which a gold electrode 112b, a crystal oscillator (quartz plate) 118, a gold electrode 112a, and a SAM 114 as an intermediate layer are laminated in this order, and an oligosaccharide 116 is bound to the SAM 114. 100 is shown. An oscillation circuit (not shown) is connected to the electrode 112a and the electrode 112b by a conducting wire. As described above, the QCM biosensor 100 includes a device for the QCM biosensor.
The QCM biosensor device is the same as the FET biosensor device 10 described above.
The electrode 112a and the electrode 112b are not particularly distinguished, and either of them may be an electrode (probe fixing electrode) to which the oligosaccharide 116 is bound, and both the electrode 112a and the electrode 112b are the probe fixing electrodes. May be good.

QCMバイオセンサにおける測定においては、プローブ固定電極を、ウィルス又は細菌が溶液中に存在する検体に浸したり、プローブ固定電極の表面に該検体を滴下したり、該検体中にQCMバイオセンサを浸漬すればよい。 In the measurement with the QCM biosensor, the probe fixed electrode is immersed in a sample in which a virus or a bacterium is present in a solution, the sample is dropped on the surface of the probe fixed electrode, or the QCM biosensor is immersed in the sample. Just do it.

以上の測定によって得られる水晶発振子の振動に基づく共振周波数(Hz)の変化によって、プローブ固定電極の表面のオリゴ糖に選択的に結合したウィルス又は細菌の存在を高感度で定量的に検出することができる。 The presence of viruses or bacteria selectively bound to oligosaccharides on the surface of the probe fixed electrode is quantitatively detected with high sensitivity by the change in resonance frequency (Hz) based on the vibration of the crystal oscillator obtained by the above measurement. be able to.

(第3実施形態)
<SPRバイオセンサ>
SPRバイオセンサは、少なくとも、プローブ固定電極と、光照射装置と、反射光を受光し反射率を検出する受光装置とを有して構成され、表面プラズモン共鳴を利用した電極の屈折率の変化により、ウィルス又は細菌を検出するセンサである。
SPRバイオセンサの構成例を、図5を用いて説明する。
(Third Embodiment)
<SPR biosensor>
The SPR biosensor includes at least a probe fixed electrode, a light irradiation device, and a light receiving device that receives reflected light and detects the reflectance, and by changing the refractive index of the electrode using surface plasmon resonance. , A sensor that detects viruses or bacteria.
A configuration example of the SPR biosensor will be described with reference to FIG.

図5には、プリズム218上に、電極(金薄膜)212と、中間層214とが、この順に積層され、さらに中間層214にオリゴ糖216が結合したSPRバイオセンサ200が示されている。
SPRバイオセンサ200では、図示しない光照射装置(レーザー発振器)LVから、プリズム218を通して入射した後、金薄膜212に入射角θで光(hν)が照射され、金薄膜212で反射した後、プリズム218を通って図示しない受光装置(レーザー検出器)Ldで受光する。この際、入射角θを変化させた場合に、反射光が最も減衰した時の角度(共鳴角)が、金薄膜212へのウィルス又は細菌の付着の有無によって変化することを利用し、当該変化から金薄膜212上でのウィルス又は細菌の吸着を確認することができる。受光装置としては、CCD(Charge Coupled Device)カメラなどを用いてもよい。また、金薄膜212とプリズム218の間にはガラス基板を配置してもよい。
FIG. 5 shows an SPR biosensor 200 in which an electrode (gold thin film) 212 and an intermediate layer 214 are laminated in this order on a prism 218, and an oligosaccharide 216 is further bound to the intermediate layer 214.
In the SPR biosensor 200, after incident through a prism 218 from a light irradiation device (laser oscillator) LV (not shown), light (hν) is irradiated to the gold thin film 212 at an incident angle θ, reflected by the gold thin film 212, and then the prism. Light is received by a light receiving device (laser detector) Ld (not shown) through 218. At this time, when the incident angle θ is changed, the angle (resonance angle) when the reflected light is most attenuated changes depending on the presence or absence of virus or bacteria adhering to the gold thin film 212. It is possible to confirm the adsorption of viruses or bacteria on the gold thin film 212. As the light receiving device, a CCD (Charge Coupled Device) camera or the like may be used. Further, a glass substrate may be arranged between the gold thin film 212 and the prism 218.

また、金薄膜上へレーザー光照射時にしみ出すエバネッセント波は、金薄膜から離れるほど影響を受けなくなり、共鳴角の変化に影響を及ぼさなくなる。そのため、プローブ層厚は薄ければ薄い程よい。SPRバイオセンサのプローブ固定電極におけるプローブ層厚は、検出感度の点から、1nm〜10nmであることが好ましい。 In addition, the evanescent wave that exudes onto the gold thin film when irradiated with laser light becomes less affected as the distance from the gold thin film increases, and does not affect changes in the resonance angle. Therefore, the thinner the probe layer, the better. The probe layer thickness of the probe fixed electrode of the SPR biosensor is preferably 1 nm to 10 nm from the viewpoint of detection sensitivity.

このような構成とすることで、SPRバイオセンサは、ウィルス又は細菌を選択的にかつ高感度で検出することができる。 With such a configuration, the SPR biosensor can selectively detect a virus or a bacterium with high sensitivity.

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はその主旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「%」及び「部」は質量基準である。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples as long as the gist of the present invention is not exceeded. Unless otherwise specified, "%" and "part" are based on mass.

[実施例1]
<バイオセンサ>
(FETバイオセンサ用デバイスの作製)
図6に、実施例に用いた、FETバイオセンサに用いるバイオセンサ用デバイス70、すなわちオリゴ糖が固定化された金電極の作製方法を説明する模式図を示す。まず、図6に示すように、中間層形成材料として、オキシルアミノ基を有するウンデカンジスルフィド(HN−O−(CH11−S−S−(CH11−OH、HN−O−(CH11−S−S−(CH11−NH)(1mmol/L)をParkらの文献(Langmuir, 2008, Vol. 24, 6201-6207)を参考に合成を行った。得られた中間層形成材料をエタノールに溶解させ、SAM形成用溶液を調製した。また、導電層として用いる金電極72として、Φ0.5mmの円状の金電極(Au)の板を用意した。得られたSAM形成用溶液を、金電極72に塗布して、金電極72上にSAMを形成した。金電極72の表面上のチオール基を有する分子の該表面中での密度は、事前にCVによって測定することで、3.85±0.81mmol/nmであることが示された。
上記のようにして作製したSAM76aが固定化された金電極72に対し、α2,6−シアリルラクトース(東京化成工業株式会社製)を、縮合反応(60℃、240分間)によってSAM76aのオキシルアミノ基に結合させ、前記α2,6−シアリルラクトースのグルコース残基の還元末端炭素とSAM76bとがオキシムを介して結合されることにより、オリゴ糖74を固定化した金電極、すなわち、以下の延長ゲート型FETバイオセンサに用いるバイオセンサ用デバイス70を作製した。
[Example 1]
<Biosensor>
(Manufacturing of device for FET biosensor)
FIG. 6 shows a schematic diagram illustrating a method for manufacturing a biosensor device 70 used for a FET biosensor, that is, a gold electrode on which oligosaccharides are immobilized, which is used in an example. First, as shown in FIG. 6, as an intermediate layer forming material, undecane disulfide having an oxylamino group (H 2 N-O- (CH 2 ) 11- S-S- (CH 2 ) 11- OH, H 2 N -O- (CH 2 ) 11- S-S- (CH 2 ) 11- NH 2 ) (1 mmol / L) was synthesized with reference to the literature of Park et al. (Langmuir, 2008, Vol. 24, 6201-6207). went. The obtained intermediate layer forming material was dissolved in ethanol to prepare a SAM forming solution. Further, as the gold electrode 72 used as the conductive layer, a circular gold electrode (Au) plate having a diameter of 0.5 mm was prepared. The obtained SAM forming solution was applied to the gold electrode 72 to form a SAM on the gold electrode 72. The density of molecules having thiol groups on the surface of the gold electrode 72, measured in advance by CV, was shown to be 3.85 ± 0.81 mmol / nm 2 .
Α2,6-Sialyl lactose (manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) was applied to the gold electrode 72 on which SAM76a was immobilized as described above by a condensation reaction (60 ° C., 240 minutes) to form an oxylamino group of SAM76a. The oligosaccharide 74 is immobilized by binding to the reducing terminal carbon of the glucose residue of α2,6-sialyllactose and SAM76b via an oxime, that is, the following extended gate type. A biosensor device 70 used for an FET biosensor was manufactured.

(延長ゲート型FETバイオセンサ)
上記で作製したバイオセンサ用デバイス70の金電極72に、図2に示すような導電性多結晶シリコンで形成されたゲート電極部を接続し、延長ゲート型電極とした。これを、図3に示すようなオペアンプ等を装備したFETに装着し、延長ゲート型FETバイオセンサ80を作製し、以下の測定を行った。
(Extended gate type FET biosensor)
A gate electrode portion made of conductive polycrystalline silicon as shown in FIG. 2 was connected to the gold electrode 72 of the biosensor device 70 produced above to form an extended gate type electrode. This was mounted on an FET equipped with an operational amplifier or the like as shown in FIG. 3, an extended gate type FET biosensor 80 was manufactured, and the following measurements were performed.

(参照電極を備えた延長ゲート型FETバイオセンサ)
実施例1において、金電極上にSAMを形成したものにα2,6−シアリルラクトースを結合したものを作製し、銀/塩化銀電極を参照電極としてバイオセンサに組み込み、実施例1と同様に、延長ゲート型FETバイオセンサとしたものを、延長ゲート型FETバイオセンサ82として用いた。
(Extended gate type FET biosensor with reference electrode)
In Example 1, a product in which α2,6-sialyllactose was bound to a SAM formed on a gold electrode was prepared, and a silver / silver chloride electrode was incorporated into a biosensor as a reference electrode, and the same as in Example 1. The extended gate type FET biosensor was used as the extended gate type FET biosensor 82.

[対照1]
実施例1において、FETバイオセンサに用いるバイオセンサ用デバイスの作製に用いたα2,6−シアリルラクトースをα2,3−シアリルラクトースに変更した他は同じにして、バイオセンサ用デバイスを作製し、実施例1と同様に延長ゲート型FETバイオセンサ81を作製して、以下の測定を行った。
[Control 1]
In Example 1, a biosensor device was prepared and carried out in the same manner except that the α2,6-sialyll lactose used for producing the biosensor device used for the FET biosensor was changed to α2,3-sialyll lactose. An extension gate type FET biosensor 81 was manufactured in the same manner as in Example 1, and the following measurements were performed.

(検体溶液)
実施例及び対照に用いる検体溶液の原液として、0.05%ホルマリン処理により、無害化されたA型インフルエンザウィルスH1N1(HA価256)を含む溶液を調製した。また、HA価はウィルスが血液凝集能を示す指標であり、感染力の指標として扱われる。前記検体溶液の原液は、256倍まで希釈したウィルス液が血液凝集能を示したため、HA価256(256HAU)である。
(Sample solution)
As a stock solution of the sample solution used in the examples and controls, a solution containing influenza A virus H1N1 (HA value 256) detoxified by 0.05% formalin treatment was prepared. In addition, the HA titer is an index showing the blood agglutination ability of the virus and is treated as an index of infectivity. The stock solution of the sample solution has a HA value of 256 (256 HAU) because the virus solution diluted up to 256 times showed blood agglutination ability.

<測定及び結果>
参照電極を備えた延長ゲート型FETバイオセンサ82を、まず緩衝液(0.01%のリン酸緩衝生理食塩水)に浸し、電位のドリフトラインが安定化するまで緩衝液を適宜交換しなから静置した。その後、最終ウィルス濃度が1/1280〜4/5HAUになる範囲で前記FETバイオセンサ82を10分間隔で濃度が薄い方から順次浸漬し、測定を行った。結果を図7に示す。なお、電位測定においては、測定前のウィルスを緩衝液中で得られた電位と経過時間との関係を表すグラフ中のドリフトラインについて、該ドリフトラインを直線と近似した近似直線を作成し、ウィルスを添加した溶液を測定した場合に、該近似直線からどれだけ電位変化が得られたかを計測している。なお、ドリフトラインは緩やかな曲線であるため厳密な電位変化を示したものではないが、上記の計測方法によって、α2,6−シアリルラクトース表面とα2,3−シアリルラクトース表面の電位変化を相対的に比較することができる。
<Measurement and results>
The extended gate FET biosensor 82 equipped with the reference electrode is first immersed in a buffer solution (0.01% phosphate buffered saline), and the buffer solution must be changed as appropriate until the potential drift line stabilizes. It was left still. Then, the FET biosensor 82 was immersed in the FET biosensor 82 at 10-minute intervals in order from the one with the lowest concentration within the range where the final virus concentration was 1/1280 to 4/5 HAU, and measurement was performed. The results are shown in FIG. In the potential measurement, for the drift line in the graph showing the relationship between the potential obtained in the buffer solution and the elapsed time of the virus before measurement, an approximate straight line that approximates the drift line to a straight line is created, and the virus When the solution to which is added is measured, how much the potential change is obtained from the approximate straight line is measured. Since the drift line is a gentle curve, it does not show a strict potential change, but the potential changes on the α2,6-sialyllactose surface and the α2,3-sialyllactose surface are relative to each other by the above measurement method. Can be compared to.

次に、上記のセンサ82を用いて行った場合と同様に、実施例1として、延長ゲート型FETバイオセンサ80を用いた場合の測定結果を図8の(B)、対照1として、延長ゲート型FETバイオセンサ81を用いた場合の測定結果を図8の(A)にそれぞれ示す。各破線は、上記の延長ゲート型FETバイオセンサ82を用いた場合に得られた近似直線である。 Next, as in the case of using the sensor 82 described above, as the first embodiment, the measurement result when the extended gate type FET biosensor 80 is used is shown in FIG. 8 (B) as the control 1 and the extended gate. The measurement results when the type FET biosensor 81 is used are shown in FIG. 8A. Each broken line is an approximate straight line obtained when the above-mentioned extended gate type FET biosensor 82 is used.

図8に示すように、対照1と実施例1の電位と経過時間との関係を示す曲線は、ともにウィルスの濃度を増やすに従って、近似直線から傾きが緩やかになり、近似直線から電位差が大きくなっていることがわかる。さらに実施例1においては、近似直線からの電位差は対照1よりも顕著に大きいことが示された。 As shown in FIG. 8, the curves showing the relationship between the potential and the elapsed time of Control 1 and Example 1 both have a gentle slope from the approximate straight line and a large potential difference from the approximate straight line as the virus concentration is increased. You can see that. Further, in Example 1, it was shown that the potential difference from the approximate straight line was significantly larger than that of Control 1.

上記で得られた、電位の差について、検体溶液の原液の希釈倍率と電位の差(ΔV)との関係を示したグラフを図9に示す。また、これらの実施例1で得られた電位差と対照1で得られた電位差(ΔV)とを比較して、有意な差が存在したかについてもt検定によって求めたp値として濃度ごとに付記している。また図9におけるそれぞれのグラフは同じ実験を2回ずつ行ったものである。 FIG. 9 shows a graph showing the relationship between the dilution ratio of the stock solution of the sample solution and the potential difference (ΔV) with respect to the potential difference obtained above. In addition, the potential difference obtained in Example 1 and the potential difference (ΔV) obtained in Control 1 were compared, and whether or not there was a significant difference was also added for each concentration as a p value determined by t-test. doing. In addition, each graph in FIG. 9 is obtained by performing the same experiment twice.

図9の結果からウィルス濃度が1/1280〜4/5HAUの範囲において、α2,3−シアリルラクトース表面よりもα2,6−シアリルラクトース表面のほうが有意にΔVは大きいことが示された。これはウィルスがα2,6−シアリルラクトース表面に特異的に吸着して、電位が変化したことを示している。
このように、延長ゲート型FETバイオセンサによって、ウィルスにおけるヒト感染型か鳥類感染型かの違いを判別できる高感度なセンサであることが示された。
From the results of FIG. 9, it was shown that ΔV was significantly larger on the surface of α2,6-sialyllactose than on the surface of α2,3-sialyllactose in the range of virus concentration of 1/1280 to 4/5 HAU. This indicates that the virus was specifically adsorbed on the surface of α2,6-sialyllactose and the potential changed.
As described above, it was shown that the extended gate type FET biosensor is a highly sensitive sensor capable of discriminating between the human-infected type and the bird-infected type in the virus.

[実施例2]
(QCMバイオセンサ用のバイオセンサ用デバイス)
QCMバイオセンサに用いるバイオセンサ用デバイスの作製において、株式会社日本電波工業社製の「NaPiCOS」を用いた。NaPiCOSは、図4に示されるように、2枚の金電極に相当する金板と水晶が接着している構造を有する。また前記バイオセンサ用デバイスの作製においては、金電極と水晶以外は、実施例1と同じものを用いた。
実施例1と同様に、前記の金電極上にSAMを固定し、SAMにα2,6−シアリルラクトースを結合させ、以下のQCMバイオセンサに用いるバイオセンサ用デバイスを作製した。
(QCMバイオセンサ)
上記で作製したバイオセンサ用デバイスに、ハミルトン社製の250μLのシリンジを用いてサンプルループ内にウィルス溶液を充填し、適宜流していく。本センサは、一定の流速の溶液中に、バイオセンサ用デバイスを浸しながら、該デバイス中の水晶板の共鳴振動によって生じる周波数が、インフルエンザウィルスの吸着による重量増加によって減少することを利用して、インフルエンザ吸着量を測定するものである。
[Example 2]
(Biosensor device for QCM biosensor)
In the production of the biosensor device used for the QCM biosensor, "NaPiCOS" manufactured by Nihon Dempa Kogyo Co., Ltd. was used. As shown in FIG. 4, NaPiCOS has a structure in which a gold plate corresponding to two gold electrodes and a crystal are adhered to each other. Further, in the production of the biosensor device, the same device as in Example 1 was used except for the gold electrode and the crystal.
In the same manner as in Example 1, the SAM was fixed on the gold electrode and α2,6-sialyllactose was bound to the SAM to prepare a biosensor device used for the following QCM biosensor.
(QCM biosensor)
The biosensor device produced above is filled with a virus solution in a sample loop using a 250 μL syringe manufactured by Hamilton Co., Ltd., and the virus solution is appropriately flowed. This sensor utilizes the fact that the frequency generated by the resonance vibration of the crystal plate in the device is reduced by the weight increase due to the adsorption of influenza virus while the biosensor device is immersed in the solution at a constant flow velocity. It measures the amount of influenza adsorbed.

[対照2]
実施例2において、QCMバイオセンサに用いるバイオセンサ用デバイスの作製に用いたα2,6−シアリルラクトースを、α2,3−シアリルラクトースに変更した他は同じにして、バイオセンサ用デバイスを作製した後、実施例2と同様にQCMバイオセンサを作製し、以下の測定を行った。
[Control 2]
After producing the biosensor device in Example 2 in the same manner except that the α2,6-sialyll lactose used for producing the biosensor device used for the QCM biosensor was changed to α2,3-sialyll lactoose. , A QCM biosensor was prepared in the same manner as in Example 2, and the following measurements were performed.

<測定及び結果>
まず、0.01倍のリン酸緩衝液をQCMバイオセンサに流速3.0ml/hで導入した。その後、周波数が安定していることを確認し、検体溶液の原液を0.01倍のリン酸緩衝液で段階的に希釈した溶液を、薄い濃度から順に流路内に200μLずつ5分間隔で導入した(1/32HAUから1HAUまで)。また、実施例2及び対照2の測定は、それぞれ3回ずつ行った。図10にそれぞれ3回ずつ行った結果示す。
<Measurement and results>
First, 0.01-fold phosphate buffer was introduced into the QCM biosensor at a flow rate of 3.0 ml / h. After that, after confirming that the frequency was stable, a solution obtained by diluting the stock solution of the sample solution stepwise with 0.01-fold phosphate buffer was added to the flow path in order from the lowest concentration by 200 μL at 5 minute intervals. Introduced (from 1/32 HAU to 1 HAU). In addition, the measurements of Example 2 and Control 2 were carried out three times each. FIG. 10 shows the results of each of the three times.

結果から、実施例2における周波数の減少量(ΔFrequency(Hz))が、対照2に比べて明らかに大きいことが示された。従って、α2,6−シアリルラクトースを固定化した電極を有するQCMバイオセンサは、A型インフルエンザを、選択的に、かつ高感度で検出できることが示された。
このように、QCMバイオセンサによって、インフルエンザウィルスにおけるヒト感染型か鳥類感染型かの違いを判別できる高感度なセンサであることが示された。
From the results, it was shown that the amount of decrease in frequency (ΔFrequency (Hz)) in Example 2 was clearly larger than that in Control 2. Therefore, it was shown that a QCM biosensor having an electrode on which α2,6-sialyllactose is immobilized can detect influenza A selectively and with high sensitivity.
As described above, it was shown that the QCM biosensor is a highly sensitive sensor capable of discriminating between the human-infected type and the avian-infected type of influenza virus.

[実施例3]
ポリチオフェン系導電性ポリマーを中間層として用いたバイオセンサ
(モノマーの合成)
EDOT−ONH(EDOTAO)モノマーの合成は、以下に示す5つのステップによって行った(Luo, S. C.; Ali, E. M.; Tansil, N. C.; Yu, H. H.; Gao, S.; Kantchev, E. A. B.; Ying, J. Y., Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) nanobiointerfaces: Thin, ultrasmooth, and functionalized PEDOT films with in vitro and in vivo biocompatibility. Langmuir 2008, 24 (15), 8071-8077)。
[Example 3]
Biosensor (monomer synthesis) using a polythiophene-based conductive polymer as an intermediate layer
The synthesis of the PEDOT-ONH 2 (EDOTAO) monomer was carried out by the following five steps (Luo, SC; Ali, EM; Tansil, NC; Yu, HH; Gao, S .; Kantchev, EAB; Ying, JY. , Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) nanobiointerfaces: Thin, ultrasmooth, and functionalized PEDOT films with in vitro and in vivo biocompatibility. Langmuir 2008, 24 (15), 8071-8077).

・第1ステップ:EDOT−Clの合成
100mL二口ナスフラスコに脱水したトルエン28mLを加えて攪拌しながら脱気した。次に反応系全体を窒素置換しながら3,4−ジメトキシチオフェン(1.36g、10.4mmol)、p−トルエンスルフォネート(0.16g、0.9mmol)と3−クロロ−1,2−プロパンチオール(2.60g、23.1mmol)を加えて90℃で24時間反応させた。その後、窒素置換しながら3−クロロ−1,2−プロパンジオール(2.60g、23.1mmol)を加えて90℃で3時間反応させた。次に、エバポレートして、カラムクロマトグラフィー法(シリカゲル、ジクロロメタン/ヘキサン=2/8)によって精製を行った。薄い黄色のオイル状の反応生成物EDOT−Clを得た。収率は56%であった。
-First step: Synthesis of EDOT-Cl 28 mL of dehydrated toluene was added to a 100 mL two-necked eggplant flask and degassed with stirring. Next, while substituting the entire reaction system with nitrogen, 3,4-dimethoxythiophene (1.36 g, 10.4 mmol), p-toluenesulfone (0.16 g, 0.9 mmol) and 3-chloro-1,2- Propanethiol (2.60 g, 23.1 mmol) was added and reacted at 90 ° C. for 24 hours. Then, 3-chloro-1,2-propanediol (2.60 g, 23.1 mmol) was added while substituting with nitrogen, and the mixture was reacted at 90 ° C. for 3 hours. Next, it was evaporated and purified by column chromatography (silica gel, dichloromethane / hexane = 2/8). A pale yellow oily reaction product, EDOT-Cl, was obtained. The yield was 56%.

・第2ステップ:EDOT−Nの合成
100mLの二口ナスフラスコに30mLのDMF、EDOT−Cl(1.18g、6.2mmol)とNaN(0.48g、7.4mmol)を加えて120℃で90分間反応させた。溶液を放冷した後HOを15mL加えて、酢酸エステルで分液を行い(3×15mL)、有機層をまとめてHOで洗浄し(3×15mL)、無水MgSOで乾燥させ、濾過した後、エバポレートをして茶色のオイル状の反応生成物EDOT−Nを得た。収率は81%であった。
-Second step: Synthesis of EDOT-N 3 Add 30 mL of DMF, EDOT-Cl (1.18 g, 6.2 mmol) and NaN 3 (0.48 g, 7.4 mmol) to a 100 mL two-necked eggplant flask and add 120. The reaction was carried out at ° C. for 90 minutes. The solution was added 15mL of H 2 O was allowed to cool, to carry out a liquid separation with ethyl acetate (3 × 15mL), the combined organic layers were washed with H 2 O (3 × 15mL) , dried over anhydrous MgSO 4 After filtration, the mixture was evaporated to obtain a brown oily reaction product EDOT-N 3 . The yield was 81%.

・第3ステップ:EDOT−NHの合成
100 mLのナスフラスコに10 mLのTHF、10mLの2mol/LのNaOH、EDOT−N(0.99g、5.1mmol)とトリフェニルホスフィン(1.60g、6.1mmol)を加えて50℃で3時間反応させた。混合溶液が室温になったらエバポレートしてTHFを除去した。次に1MのHCl水溶液を用いて溶液のpHを2未満に調製し、ジクロロメタンで分液を行った(3×15mL)。有機層を廃棄し、1mol/LのNaOHを用いて水層のpHを12より大きく調製した。ジクロロメタンを用いて分液し(3×15mL)、有機層をまとめて無水MgSOで乾燥させ、濾過した。最後にエバポレートして薄い黄色のオイル状EDOT−NHを得た。収率は75%であった。
Third step: Synthesis of EDOT-NH 2 In a 100 mL eggplant flask, 10 mL THF, 10 mL 2 mol / L NaOH, EDOT-N 3 (0.99 g, 5.1 mmol) and triphenylphosphine (1. 60 g (6.1 mmol) was added, and the mixture was reacted at 50 ° C. for 3 hours. When the mixed solution reached room temperature, it was evaporated to remove THF. The pH of the solution was then adjusted to less than 2 with 1 M aqueous HCl and separated with dichloromethane (3 x 15 mL). The organic layer was discarded and the pH of the aqueous layer was adjusted to be greater than 12 using 1 mol / L NaOH. The liquid was separated using dichloromethane (3 × 15 mL), the organic layers were collectively dried over anhydrous Then 4 and filtered. Finally, it was evaporated to obtain a pale yellow oily EDOT-NH 2 . The yield was 75%.

・第4ステップ:EDOT−ONH−Bocの合成
100mLのナスフラスコにEDOT−NH(0.65g、3.8mmol)、2−((tert−ブトキシカルボニル)アミノオキシ)酢酸(0.80g、4.2mmol)、 HOを7mlと13mLのエタノールを加えて室温で10分間攪拌した。その後、DMT−MM(1.57g、5.7mmol)を加えてさらに3時間反応させた。混合溶液をエバポレートした後、15mLの飽和NaCOを加えて、ジエチルエーテルで分液した(3×15mL)。有機層をまとめて、1mol/LのHCl水溶液で洗浄した後、無水NaSOで乾燥させ、濾過した。最後にエバポレートして透明なオイル状EDOT−ONH−Bocを得た。収率は70%であった。
4th step: Synthesis of EDOT-ONH-Boc EDOT-NH 2 (0.65 g, 3.8 mmol), 2-((tert-butoxycarbonyl) aminooxy) acetic acid (0.80 g, 4) in a 100 mL eggplant flask. .2mmol), and stirred for 10 minutes at room temperature of H 2 O in ethanol was added 7ml and 13 mL. Then, DMT-MM (1.57 g, 5.7 mmol) was added and the reaction was carried out for another 3 hours. After the mixture was evaporated, 15 mL of saturated Na 2 CO 3 was added and the mixture was separated by diethyl ether (3 x 15 mL). The organic layers were collectively washed with a 1 mol / L HCl aqueous solution, dried over anhydrous Na 2 SO 4 , and filtered. Finally, it was evaporated to obtain a transparent oily EDOT-ONH-Boc. The yield was 70%.

・第5ステップ:EDOT−ONHの合成
100mLのナスフラスコに、EDOT−ONH−Boc(0.46g、1.33mmol)、15mLのMeOHと5mLのHOを加えて、攪拌しながら10mLの濃塩酸をゆっくり滴下し、室温で1時間反応させた。反応終了後、20mLのHOを加えてエバポレートした。ジエチルエーテルで分液し(3×15mL)、水層をまとめて、pHを12より大きくなるまで調製し、ジエチルエーテルで分液し(3×15mL)、有機層をまとめて、無水NaSOで乾燥させ、濾過した。最後に、エバポレートして透明なオイル状EDOT−ONHを得た。収率は62%であった。全体収率は16%であった。
Fifth step: Synthesis of EDOT-ONH 2 To a 100 mL eggplant flask, add EDOT-ONH-Boc (0.46 g, 1.33 mmol), 15 mL of MeOH and 5 mL of H 2 O, and add 10 mL of EDOT-ONH 2 with stirring. Concentrated hydrochloric acid was slowly added dropwise, and the mixture was reacted at room temperature for 1 hour. After completion of the reaction, and evaporated in addition of H 2 O 20 mL. Separate with diethyl ether (3 x 15 mL), combine aqueous layers, prepare until pH is greater than 12, separate with diethyl ether (3 x 15 mL), combine organic layers, anhydrous Na 2 SO It was dried in 4 and filtered. Finally, it was evaporated to obtain a transparent oily EDOT-ONH 2 . The yield was 62%. The overall yield was 16%.

(EDOT−ONH(EDOTAO)とEDOTとの電解重合および電解重合膜の評価)
EDOTAOとEDOT(3,4−エチレンジオキシチオフェン)モノマーの電解重合を行い、水溶液中ガラスカーボン電極表面にランダムに共重合体を付着させた。
(Electropolymerization of EDOT-ONH 2 (EDOTAO) and EDOT and evaluation of electrolytic polymer film)
Electropolymerization of EDOTAO and EDOT (3,4-ethylenedioxythiophene) monomer was carried out, and a copolymer was randomly attached to the surface of the glass carbon electrode in the aqueous solution.

作用電極は市販されているガラスカーボン電極(inner diameter 3 mm、CH Instruments社(TX、USA)製)を用いた。使用前、電極表面をアルミニウムパウダー(粒子サイズ0.05μm(Baikowski International社(Charlotte、NC、USA製)で丁寧に磨き、miliQ水で洗浄した。EDOTAOおよびEDOTを、EDOTAO:EDOTのモル比が0:100(以下、0mol%EDOTAOということがある。)、25:75(以下、25mol%EDOTAOということがある。)、50:50(以下、50mol%EDOTAOということがある。)、75:25(以下、75mol%EDOTAOということがある。)、または100:0(以下、100mol%EDOTAOということがある。)で10mmol/Lの濃度で含む過塩素酸ナトリウム(100mmol/L)水溶液1 mLをガラスセルに加えた。ガラスカーボン作用電極、白金カウンター電極、Ag/AgCl(in 3.3mol/L KClaq)参照電極の三電極をガラスセルに取り付け、ポテンシャルスタット(Versa STAT、Princeton Applied Research社製)と接続した。サイクリック電位(−0.6 +1.1 −0.6Vvs Ag/AgCl at 0.1V/sec)の電位を印加し、10サイクル連続掃引した。重合膜の形成に必要な酸化電位(フォワードスキャン)は+1V(vs Ag/AgCl)付近であることが観測された(図11A、(a)〜(e))。サイクリック数の増加と共に電流密度の増加することは重合膜の成長プロセスを表している。サイクルごとの単位界面キャパシタンス(C、mF/cm)は+0.2V付近のフォワードスとリバース電流密度の差分(ΔI、mA)で決められ、サイクリック数の増加と共に増加した(図11A、(f))。
C=ΔI/νA 式(1)
As the working electrode, a commercially available glass carbon electrode (inner diameter 3 mm, manufactured by CH Instruments (TX, USA)) was used. Before use, the electrode surface was carefully polished with aluminum powder (particle size 0.05 μm (Baikouski International (Charlotte, NC, USA)) and washed with miliQ water. EDOTAO and EDOT had a molar ratio of EDOTAO: EDOT of 0. : 100 (hereinafter sometimes referred to as 0 mol% EDOTAO), 25:75 (hereinafter sometimes referred to as 25 mol% EDOTAO), 50:50 (hereinafter sometimes referred to as 50 mol% EDOTAO), 75:25 (Hereinafter, it may be referred to as 75 mol% EDOTAO), or 1 mL of an aqueous solution of sodium perchlorate (100 mmol / L) contained at a concentration of 10 mmol / L at 100: 0 (hereinafter, may be referred to as 100 mol% EDOTAO). In addition to the glass cell, three electrodes, a glass carbon action electrode, a platinum counter electrode, and an Ag / AgCl (in 3.3 mol / L KCl aq ) reference electrode, were attached to the glass cell, and a potential stat (Versa STAT, manufactured by Powderon Applied Research) was attached. ) Was applied, and a cyclic potential (-0.6 to +1.1 to -0.6V vs Ag / AgCl at 0.1V / sec) was applied and swept continuously for 10 cycles. Necessary for forming a polymer film. It was observed that the oxidation potential (forward scan) was around + 1 V (vs Ag / AgCl) (FIGS. 11A, (a) to (e)). The increase in current density with the increase in the number of cyclics was polymerized. It represents the film growth process. The unit interfacial capacitance (C, mF / cm 2 ) for each cycle is determined by the difference between the forward and reverse current densities (ΔI, mA) near + 0.2 V, and is the cyclic number. It increased with the increase (Fig. 11A, (f)).
C = ΔI / νA equation (1)

ν(V/sec)はスキャンレート、A(cm)は電極表面積を表す。0mol%EDOTAOと5mol%EDOTA2の場合、キャパシタンスが著しく増加したことは電極表面導電性高分子膜が形成されたことを表す。これに対し、50mol%EDOTA〜100mol%のEDOTA場合、キャパシタンス増加がみられなかった。EDOTAOの含有量が高い場合、電解重合膜の導電性が低下したことを示唆する。ν (V / sec) represents the scan rate and A (cm 2 ) represents the surface area of the electrode. In the case of 0 mol% EDOTAO and 5 mol% EDOTA2, the significant increase in capacitance indicates that the electrode surface conductive polymer film was formed. On the other hand, in the case of 50 mol% EDOTA to 100 mol% EDOTA, no increase in capacitance was observed. A high content of EDOTAO suggests that the conductivity of the electrolytic polymerized film is reduced.

重合膜の膜厚は、重合電気量によって制御でき、電解重合モノマーの組成によって変わる。そのため、段差計(DekTak 150、ULVAC社製)を用いて、金基板の表面に固定したpoly(EDOTAO−co−EDOT)電解重合膜の膜厚と表面粗さの測定を行った。EDOTAOモノマーの割合が増えるとともに膜厚が薄くなり、表面粗さも小さくなった(図11B、(g)〜(i))。EDOTAOモノマーのEDOT骨格の側鎖がπ共役形成に立体障害を与え、重合しにくくなり、導電性が下がったと考えられる。 The film thickness of the polymerized film can be controlled by the amount of electricity polymerized, and varies depending on the composition of the electrolytically polymerized monomer. Therefore, the film thickness and surface roughness of the poly (EDOTAO-co-EDOT) electrolytic polymerized film fixed on the surface of the gold substrate were measured using a step meter (DekTak 150, manufactured by ULVAC). As the proportion of EDOTAO monomer increased, the film thickness became thinner and the surface roughness became smaller (FIGS. 11B, (g) to (i)). It is considered that the side chain of the EDOT skeleton of the EDOTAO monomer sterically hinders the formation of π-conjugated system, makes it difficult to polymerize, and reduces the conductivity.

電解重合膜表面の元素組成をX線光電子分光法(XPS)(AXIS−HSi165; 408 Shimadzu−Kratos社(Kyoto、Japan)製)による観察を行った。光源がMgKα線、加速電圧15 kV、入射角90°。高分解能スペクトルのカーブフェッテイングはガウス関数に基づいて解析された。平均値と標準偏差は4つ測定ポイントから得られた。金基板表面にモノマーの組成を変えて(0mol%〜50mol%EDOTAO)、10サイクル電解重合を行った。EDOTAOが0mol%の場合、N1sのピークが観測されなかったが、EDOTAOの割合が増えるとともに(25mol%EDOTAO、50mol%EDOTAO)、窒素の原子割合が増加した (図12、(a))。共重合膜表面におけるEDOTとEDOTAOのモル比をそれぞれm、nとすると次の関係が成り立つ:
N=2n、S=m+n 式(2)
以下に導電性共重合ポリマーの構造を示す。
The elemental composition of the surface of the electrolytic polymer film was observed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (AXIS-HSi165; 408, manufactured by Shimadzu-Kratos (Kyoto, Japan)). The light source is MgKα ray, acceleration voltage 15 kV, incident angle 90 °. The curve fitting of the high resolution spectrum was analyzed based on the Gaussian function. Mean and standard deviation were obtained from 4 measurement points. The composition of the monomer was changed on the surface of the gold substrate (0 mol% to 50 mol% EDOTAO), and 10-cycle electrolytic polymerization was performed. When EDOTAO was 0 mol%, the peak of N1s was not observed, but as the ratio of EDOTAO increased (25 mol% EDOTAO, 50 mol% EDOTAO), the atomic ratio of nitrogen increased (FIG. 12, (a)). When the molar ratios of EDOT and EDOTAO on the surface of the copolymer film are m and n, respectively, the following relationship holds:
N = 2n, S = m + n equation (2)
The structure of the conductive copolymer polymer is shown below.

電解重合膜表面のEDOTAO組成の導入率を式(3)ように示すことができる。
n/(m+n)=N/2S 式(3)
N、Sは窒素と硫黄の実際に測定した元素割合を表す。導電性共重合ポリマーのEDOTAO組成の割合は、電解重合の際EDOTAOモノマーの供給量と比例することがわかった(図12、(c))。
The introduction rate of the EDOTAO composition on the surface of the electrolytic polymer film can be shown by the formula (3).
n / (m + n) = N / 2S equation (3)
N and S represent the actually measured element ratios of nitrogen and sulfur. It was found that the ratio of the EDOTAO composition of the conductive copolymer polymer was proportional to the supply amount of the EDOTAO monomer during electrolytic polymerization (FIG. 12, (c)).

固/液界面での低インピーダンス界面は、導電性ポリマーのバイオセンシングやバイオエレクトロニクス応用の材料として重要な性質の一つである。そのため、電気化学インピーダンス測定(EIS)を行った。PGSTAT 302 potentiostat (Metrohm Autolab社製)を導電性ポリマーが固定されたガラスカーボン作用電極、Ag/AgCl(in 3.3 mol/L KClaq)参照電極と、Ptカウンター電極から組成される三電極セルと接続した。測定溶液は5mM ferricyanide/ferrocyanideを含有する100倍に水で希釈したDPBS(0.01xDPBS pH7.4、ダルベッコ社製)を用いた。The low impedance interface at the solid / liquid interface is one of the important properties as a material for biosensing and bioelectronics applications of conductive polymers. Therefore, electrochemical impedance measurement (EIS) was performed. PGSTAT 302 potentiostat (manufactured by Metrohm Autolab) is a glass carbon working electrode to which a conductive polymer is fixed, a three-electrode cell composed of an Ag / AgCl (in 3.3 mol / L KCl aq ) reference electrode and a Pt counter electrode. Connected with. The measurement solution used was DPBS (0.01xDPBS pH 7.4, manufactured by Dulbecco), which contained 5 mM ferricyanide / ferricyanide and was diluted 100-fold with water.

周波数範囲0.1kHz〜10kHz(一桁ごとに10点測定ポイント)、50 mV AC電位、DCバイアス+0.2V vs Ag/AgCl。電荷移動抵抗はナイキストプロットをRandleの等価回路モデルにフィテイングで得られた。平均値と標準誤差が四つの独自測定から得られた。ガラスカーボン電極上に電解重合したpoly(EDOTAO−co−EDOT)膜の電気化学インピーダンス測定を行った。ナイキストプロットの高周波側の半円形の部分がferricynanide/ferrocyanide[Fe(CN) 3−/ Fe(CN) 4−]酸化還元反応の電荷移動限界プロセスに属し、低周波数側の線形部分がそれの拡散限界プロセスに属する(図13A)。0mol%EDPTAO(i.e.,PEDOT)重合膜のナイキストプロットは線形応答し、キャパシタのような挙動を示した。Randleの等価回路に基づきフィッティングしたデータから、EDOTAOの比率の増加と共に電荷移動抵抗(Rct)が増えることがみられた(図13B)。EDOTAOの比率の変化に対するCPE(constant phase element)の振るまいがCVから得られた界面キャパシタンス(図11A)と近いという傾向が示された。EDOTAO組成が高いほどオキシアミン側鎖がチオフェン骨格に対し立体障害が増え、膜導電性が低下し、それ故、共重合膜のインピーダンスが上昇したと考えられる。共重合膜のオキシアミングループの割合と膜の電子/イオン伝導性が相殺するため、総合的に考えて、以下の実験には25mol%EDOTAOの共重合体を用いた。 Frequency range 0.1 kHz to 10 kHz (10 measurement points per digit), 50 mV AC potential, DC bias + 0.2 V vs Ag / AgCl. The charge transfer resistance was obtained by fitting the Nyquist plot to Randle's equivalent circuit model. Mean and standard error were obtained from four proprietary measurements. The electrochemical impedance of a poly (EDOTAO-co-EDOT) film electropolymerized on a glass carbon electrode was measured. The semi-circular part on the high frequency side of the Nyquist plot belongs to the charge transfer limit process of the redox reaction [Fe (CN) 6 3 / Fe (CN) 6 4- ], and the linear part on the low frequency side is it. Belongs to the diffusion limit process of (Fig. 13A). The Nyquist plot of the 0 mol% EDPTAO (ie, PEDOT) polymer film responded linearly and behaved like a capacitor. From the fitted data based on the equivalent circuit of Randle, charge transfer resistance with increasing proportion of EDOTAO (R ct) that increase was observed (Figure 13B). It was shown that the behavior of CPE (constant phase element) with respect to the change in the ratio of EDOTAO tended to be close to the interfacial capacitance (FIG. 11A) obtained from CV. It is considered that the higher the EDOTAO composition, the more steric hindrance the oxyamine side chain to the thiophene skeleton, the lower the film conductivity, and therefore the higher the impedance of the copolymerized film. Since the ratio of the oxyamine group of the copolymer film and the electron / ionic conductivity of the film cancel each other out, a 25 mol% EDOTAO copolymer was used in the following experiments from a comprehensive viewpoint.

ガラスカーボン電極表面に電解重合した共重合膜にグライコブロッティング 反応(Hideshima, S.; Hinou, H.; Ebihara, D.; Sato, R.; Kuroiwa, S.; Nakanishi, T.; Nishimura, S.; Osaka, T., Attomolar detection of influenza A virus hemagglutinin human H1 and avian H5 using glycan-blotted field effect transistor biosensor. Anal Chem 2013, 85 (12), 5641-4.)を用いて糖鎖(2,6−シアリルラクトース、2,3−シアリルラクトース)を導入した。 Glycoblotting reaction on a copolymer film electrolytically polymerized on the surface of a glass carbon electrode (Hideshima, S .; Hinou, H .; Ebihara, D .; Sato, R .; Kuroiwa, S .; Nakanishi, T .; Osaka, T., Attomolar detection of influenza A virus hemagglutinin human H1 and avian H5 using glycan-blotted field effect transistor biosensor. Anal Chem 2013, 85 (12), 5641-4.) Using sugar chains (2,6) -Sialyllactose, 2,3-sialyllactose) was introduced.

洗浄後の金基板表面に0mol%EDOTAOまたは25mol%EDOTAOを電解重合した後、MilliQ水で洗浄した。酢酸水溶液中2,6−シアリルラクトースまたは2,3−シアリルラクトースの糖鎖を、それぞれ最終濃度0.1 mmol/L(pH5.3)になるように調製した。その後60℃、12時間グライコブロッティング反応を行った。 0 mol% EDOTAO or 25 mol% EDOTAO was electropolymerized on the surface of the gold substrate after washing, and then washed with MilliQ water. The sugar chains of 2,6-sialyllactose or 2,3-sialyllactose in an aqueous acetic acid solution were prepared so as to have a final concentration of 0.1 mmol / L (pH 5.3), respectively. Then, a glycoblotting reaction was carried out at 60 ° C. for 12 hours.

糖鎖導入前後の膜表面のぬれ性は接触角計(DM−501、協和界面科学社製)を用いての評価した(図14A、図14B)。糖鎖導入前の、0mol%EDOTAOおよび25mol%EDOTAO電解重合膜の水滴接触角は、それぞれ68.8±0.2°および63.8±0.2°であった(図14A)。糖鎖導入後の、0mol%EDOTAOおよび25mol%EDOTAO電解重合膜の水滴接触角は、それぞれ40.5±0.5°および4°>であり、糖鎖導入後に接触角の数値が下がった(図14B)。 The wettability of the membrane surface before and after the introduction of the sugar chain was evaluated using a contact angle meter (DM-501, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.) (FIGS. 14A and 14B). The water droplet contact angles of the 0 mol% EDOTAO and the 25 mol% EDOTAO electrolytic polymerized membranes before the introduction of the sugar chain were 68.8 ± 0.2 ° and 63.8 ± 0.2 °, respectively (FIG. 14A). The water droplet contact angles of the 0 mol% EDOTAO and 25 mol% EDOTAO electrolytic polymerized membranes after the introduction of the sugar chain were 40.5 ± 0.5 ° and 4 °>, respectively, and the values of the contact angles decreased after the introduction of the sugar chain ( FIG. 14B).

25mol%EDOTAO重合膜表面の接触角が著しく低下したことがグライコブロッティング反応によって糖鎖が導入され、重合膜表面が超親水性になったと考えられる。 0mol%EDOTAO(i.e., PEDOT)の場合、接触角が低下した原因は、糖鎖の非特異的な吸着によるもの考えられる。 It is considered that the contact angle on the surface of the 25 mol% EDOTAO polymerized film was remarkably reduced because the sugar chain was introduced by the glycoblotting reaction and the surface of the polymerized film became superhydrophilic. In the case of 0 mol% EDOTAO (ie, PEDOT), the cause of the decrease in the contact angle is considered to be the non-specific adsorption of sugar chains.

グライコブロッティング 反応を定量的に評価するため、QCMセンサを用いて評価した。
QCMの測定は、ツインQCMセンサ(30MHz、1Hz(ΔF)=35 pg/cm)とQCMアナライザー(日本電子工業社(東京、日本)社製)を用いて25℃で行った。0mol%EDOTAOまたは25mol%EDOTAOをQCMセンサに電解重合した後、重合膜からドーパントの過塩素酸ナトリウムを抜くため、QCMセンサをmilliQ水に12時間浸してから測定を行った。その後、上記と同様の条件で糖鎖を導入し、milliQ水で洗浄した後測定を行った(図14C)。糖鎖導入後、25mol% EDOTAOを電解重合したQCMセンサの場合、糖鎖の付着に由来する周波数の低下が確認され、9.4 μg/cm付着したことがわかった。0mol%EDOTAOの場合、周波数が増えたことは、導電性ポリマーに微量に残存するドーパントのNaClOが溶液中に抜け出たことが原因であると推測される。
In order to quantitatively evaluate the glicoblotting reaction, it was evaluated using a QCM sensor.
The QCM was measured at 25 ° C. using a twin QCM sensor (30 MHz, 1 Hz (ΔF) = 35 pg / cm 2 ) and a QCM analyzer (manufactured by Nippon Denshi Kogyo Co., Ltd. (Tokyo, Japan)). After electrolytic polymerization of 0 mol% EDOTAO or 25 mol% EDOTAO on the QCM sensor, the QCM sensor was immersed in milliQ water for 12 hours in order to remove the dopant sodium perchlorate from the polymer film, and then the measurement was performed. Then, the sugar chain was introduced under the same conditions as above, washed with milliQ water, and then measured (FIG. 14C). In the case of the QCM sensor in which 25 mol% EDOTAO was electrolytically polymerized after the introduction of the sugar chain, a decrease in frequency due to the adhesion of the sugar chain was confirmed, and it was found that 9.4 μg / cm 2 was attached. In the case of 0 mol% EDOTAO, it is presumed that the increase in frequency is due to the escape of the dopant NaClO 4 remaining in the conductive polymer in a small amount into the solution.

(インフルエンザウィルスの特異的検出)
・QCMセンサによるインフルエンザウィルスのリアルタイム検出
インフルエンザウィルスサンプルは失活させたA型ヒトインフルエンザウィルス(H1N1,PR8,strain)を用いた。感染度は256 HA unit(HAU、ニワトリ赤血球凝集実験)である。QCMの測定はツインQCMセンサ(30 MHz)とQCMアナライザー(日本電子工業(東京, 日本)社製)を用いて行った。インフルエンザウィルス測定用のQCMセンサは、25mol%EDOTAOをQCMセンサ表面に10サイクル電解重合させ、0.1mM糖鎖(2,6−シアリルラクトースまたは2,3−シアリルラクトース)の酢酸水溶液(pH5.3) と60℃、12時間反応させて作製した。測定条件:送液バッファー 100倍に水で希釈したDPBS(0.01xDPBS pH7.4、ダルベッコ社製)、流速50 μL/minで、インフルエンザウィルスサンプルの量200 μL、インフルエンザウィルス濃度は0.125、0.25、0.5、1.0、2.0 HAUとした。測定温度25±0.02℃。インジェクションは7分間隔で行った。つまり、1回目に0.125HAUのインフルエンザウィルスサンプルをインジェクションし、その7分後に0.25HAUのサンプルをインジェクションし、2.0 HAUまでのサンプルを7分毎に順次インジェクションした。平均値と標準偏差は4つの平衡測定データから得られた。
(Specific detection of influenza virus)
-Real-time detection of influenza virus by QCM sensor For the influenza virus sample, inactivated human influenza A virus (H1N1, PR8, strain) was used. The degree of infection is 256 HA unit (HAU, chicken hemagglutination experiment). The QCM was measured using a twin QCM sensor (30 MHz) and a QCM analyzer (manufactured by Nippon Denshi Kogyo (Tokyo, Japan)). For the QCM sensor for measuring influenza virus, 25 mol% EDOTAO is electrolyzed on the surface of the QCM sensor for 10 cycles, and an aqueous acetate solution (pH 5.3) of 0.1 mM sugar chain (2,6-sialyllactose or 2,3-sialyllactose) is used. ) And 60 ° C. for 12 hours to prepare. Measurement conditions: DPBS (0.01 x DPBS pH 7.4, manufactured by Dalbecco) diluted 100 times with water, influenza virus sample volume 200 μL, influenza virus concentration 0.125, flow rate 50 μL / min, It was set to 0.25, 0.5, 1.0 and 2.0 HAU. Measurement temperature 25 ± 0.02 ° C. Injection was performed at 7 minute intervals. That is, the first 0.125 HAU influenza virus sample was injected, 7 minutes later, the 0.25 HAU sample was injected, and the samples up to 2.0 HAU were sequentially injected every 7 minutes. Mean and standard deviation were obtained from four equilibrium measurement data.

図15Aは、インフルエンザウィルスの濃度を変えたときに、2,6−シアリルラクトース糖鎖または糖鎖を修飾した電極の分子認識反応に由来する重さの変化を周波数として示したときの経時変化を示す。図15Bは、各インジェクションが平衡になった時の周波数をインフルエンザウィルス濃度に対しプロットした図である。
poly(EDOTAO−co−EDOT)に2,3−シアリルラクトースを固定したQCMセンサは、2HAUインフルエンザウィルスをインジェクションするまで顕著な応答が見られなかったが、poly(EDOTAO−co−EDOT)に2,6−シアリルラクトースを固定したQCMセンサはインフルエンザウィルスサンプルの最初のインジェクションから著しく応答した(図15A)。
図15Bから、インフルエンザウィルス濃度が高い場合ほど、糖鎖がインフルエンザウィルスを捕捉したことに由来する周波数の減少が大きくなり、周波数の変化に濃度依存性があることが示された。また、インフルエンザウィルス濃度が最も低い0.125 HAUの場合においても、インフルエンザウィルスの付着量はp<0.01で高い有意差があった。インフルエンザウィルスは2,6−シアリルラクトースを有するQCMセンサに対し選択的に結合することが確認された。
FIG. 15A shows the change over time when the change in weight due to the molecular recognition reaction of the 2,6-sialyllactose sugar chain or the electrode modified with the sugar chain was shown as a frequency when the concentration of influenza virus was changed. Shown. FIG. 15B is a plot of the frequency at which each injection is in equilibrium with respect to the influenza virus concentration.
The QCM sensor in which 2,3-sialyllactose was immobilized on poly (EDOTAO-co-EDOT) did not show a remarkable response until 2HAU influenza virus was injected, but on poly (EDOTAO-co-EDOT) 2, The QCM sensor immobilized with 6-sialyll lactose responded significantly from the first injection of the influenza virus sample (Fig. 15A).
From FIG. 15B, it was shown that the higher the influenza virus concentration, the greater the decrease in frequency due to the sugar chain capturing the influenza virus, and the concentration-dependent change in frequency. In addition, even in the case of 0.125 HAU, which has the lowest influenza virus concentration, the amount of influenza virus adhered was p <0.01, and there was a high significant difference. It was confirmed that the influenza virus selectively binds to a QCM sensor having 2,6-sialyllactose.

・電位測定によるインフルエンザウィルスの検出
電位測定装置を用いて、インフルエンザウィルスと糖鎖の結合反応の累積線量応答を測定した。電位測定は、10チャンネル円形Au微小電極(直径500 μm)を用いて行った(Goda, T.; Higashi, D.; Matsumoto, A.; Hoshi, T.; Sawaguchi, T.; Miyahara, Y., Dual aptamer-immobilized surfaces for improved affinity through multiple target binding in potentiometric thrombin biosensing. Biosensors and Bioelectronics 2015, 73, 174-180.)。インフルエンザウイル(H1N1)を検出するために、10チャンネル円形Au微小電極表面に25mol%EDOTAOを、記述の方法と同様に10サイクル電解重合した。その後、グライコブロッティング 反応によって2,6−シアリルラクトース糖鎖または2,3−シアリルラクトース糖鎖をそれぞれ導入した。
-Detection of influenza virus by potential measurement Using a potential measuring device, the cumulative dose response of the binding reaction between influenza virus and sugar chain was measured. Potential measurements were performed using 10-channel circular Au microelectrodes (500 μm in diameter) (Goda, T .; Higashi, D .; Matsumoto, A .; Hoshi, T .; Sawaguchi, T .; Miyahara, Y. , Dual aptamer-immobilized surfaces for improved affinity through multiple target binding in potentiometric thrombin biosensing. Biosensors and Bioelectronics 2015, 73, 174-180.). In order to detect influenza virus (H1N1), 25 mol% EDOTAO was electropolymerized on the surface of a 10-channel circular Au microelectrode for 10 cycles in the same manner as described. Then, a 2,6-sialyllactose sugar chain or a 2,3-sialyllactose sugar chain was introduced by a glycoblotting reaction, respectively.

インフルエンザウィルスの濃度を0.015、0.031、0.062、0.12、0.25、0.50、1.0 HAUとした場合の、修飾したAu電極の電位応答をhigh−input impedance electrometer (Keythley 6517B, Keythley社製)を用いてAg/AgCl(in 3.3 mol/L KClaq)参照電極に対し直流バイアスない状態で測定した。はじめに、修飾した10チャンネル円形Au微小電極(直径500 μm)を100倍に水で希釈したDPBS(0.01xDPBS pH7.4、ダルベッコ社製)に150分浸けて、Au電極表面電位を安定させた。その後、インフルエンザウィルスの濃度を0.15〜1.0HAUまで、低い濃度から高い濃度の順に10分間隔で導入し、表面電位の変化を測定した(図16)。When the concentration of influenza virus is 0.015, 0.031, 0.062, 0.12, 0.25, 0.50, 1.0 HAU, the potential response of the modified Au electrode is high-imput impedance. Measurements were made using an electrometer (Keythley 6517B, manufactured by Keythley) with respect to the Ag / AgCl (in 3.3 mol / L KCl aq ) reference electrode without DC bias. First, a modified 10-channel circular Au microelectrode (500 μm in diameter) was immersed in DPBS (0.01xDPBS pH 7.4, manufactured by Dalbecco) diluted 100-fold with water for 150 minutes to stabilize the Au electrode surface potential. .. Then, the concentration of influenza virus was introduced from low concentration to high concentration at intervals of 10 minutes from 0.15 to 1.0 HAU, and the change in surface potential was measured (FIG. 16).

糖鎖末端のシアル酸がマイナス電荷を持ち、インフルエンザウィルス(H1N1)のヘマグルチニンの認識部位(プラス電荷を有する)と結合するため、インフルエンザウィルス濃度が高くなるとともに2,6−シアリルラクトース糖鎖または2,3−シアリルラクトース糖鎖をそれぞれ導入した電極の界面電位は、どちらも上昇する傾向が見られた。しかし、2,6−シアリルラクトース糖鎖を導入した電極では、2,3−シアリルラクトース糖鎖を導入した電極と比較して界面電位が著しく上昇した。このことは、2,6−シアリルラクトース糖鎖を導入した電極表面に、より多く正電荷を持つインフルエンザウィルスが付着したことを示す。0.01xDPBS溶液中、溶液の電気二重層は約7.4 nmであった。糖鎖の長さは2 nm以下であるため、電気二重層内での検出が可能である。糖鎖はマイナスチャージを持ち、プラスネット電荷を持つインフルエンザウィルスヘマグルチニン(Huang, Q.; Opitz, R.; Knapp, E. W.; Herrmann, A., Protonation and stability of the globular domain of influenza virus hemagglutinin. Biophysical Journal 2002, 82(2), 1050-1058.)を引き付けるため、電気二重層内のプラスネット電荷の密度が高くなり、電位の上昇が起きたと考えられる。 Since sialic acid at the end of the sugar chain has a negative charge and binds to the hemagglutinin recognition site (having a positive charge) of influenza virus (H1N1), the influenza virus concentration increases and the 2,6-sialyllactose sugar chain or 2 , The interfacial charges of the electrodes into which the 3-sialyllactose sugar chains were introduced tended to increase in both cases. However, in the electrode into which the 2,6-sialyllactose sugar chain was introduced, the interfacial potential was significantly increased as compared with the electrode into which the 2,3-sialyllactose sugar chain was introduced. This indicates that the influenza virus having more positive charges adhered to the electrode surface into which the 2,6-sialyllactose sugar chain was introduced. In a 0.01xDPBS solution, the electric double layer of the solution was about 7.4 nm. Since the length of the sugar chain is 2 nm or less, it can be detected in the electric double layer. The sugar chain has a negative charge and a positive net charge. Huang, Q .; Opitz, R .; Knapp, EW; Herrmann, A., Protonation and stability of the globular domain of influenza virus hemagglutinin. Biophysical Journal 2002, 82 (2), 1050-1058.), It is considered that the density of the plus net charge in the electric double layer became high and the potential increased.

インフルエンザウィルスと特異的に結合する糖鎖を末端に導入した導電性ポリマーで修飾した電極を用いて、インフルエンザウィルスをラベルフリー検出する方法を開発した。PEDOTにウィルス表面のタンパク質であるヘマグルチニンと特異的に反応する糖鎖等などのリガンド分子を導入した。幾つかの合成ステップを経て、モノマーとなるEDOTの側鎖にオキシルアミン(−O−NH)基を置換基として導入し、EDOT誘導体(EDOTAO)の合成に成功した。合成したモノマーは、NMRおよびESI−MSで評価をおこない、目的物の合成を確認した。次に、電解重合によってリガンド分子が影響を受ける可能性を排除するために、先にEDOTAOを電極基板に導入し、その後カップリング反応をおこなってリガンド分子の導入を行った。EDOTとEDOTAOを用いて、電解重合法によって電極表面に共重合体を共有結合的に導入した。母材となるモデル電極材料としてガラスカーボン(GC)を用いた。電界重合時のドーパント種としてプロトン酸塩であるNaClOを用いた。オキシルアミン基をリンカーとして、還元末端を有する糖鎖をグリコブロッティング反応により共有結合で導入した。H1型インフルエンザウィルスのヘマグルチニンに対して特異的な糖鎖として2,6−シアリルラクトースを、H5型ヘマグルチニンに対して特異的な糖鎖として2,3−シアリルラクトースを用いた。作製した表面はサイクリックボルタンメトリー(CV)、交流インピーダンス測定(EIS)、SEM、XPS、段差測定、QCMにより評価を行った。25mol%EDOTAOの組成のモノマーを電極上で電解重合した場合に、特に良好な結果が得られた。上記の電極を用いてインフルエンザA型(H1N1)ウィルスの検出をおこなった。QCM測定により、2,6−シアリルラクトース導入電極表面に対するウィルスの特異的な結合を確認した。さらに、電位測定によりウィルスのラベルフリーな電気的検出を実現した。従来の赤血球凝集試験と比べて感度は数百倍以上高く、迅速かつリアルタイムなインフルエンザウィルスの高感度特異的検出を可能にした。We have developed a label-free detection method for influenza virus using an electrode modified with a conductive polymer in which a sugar chain that specifically binds to influenza virus is introduced at the end. A ligand molecule such as a sugar chain that specifically reacts with hemagglutinin, which is a protein on the surface of the virus, was introduced into PEDOT. After several synthetic steps, an oxylamine (-O-NH 2 ) group was introduced as a substituent into the side chain of EDOT as a monomer, and the EDOT derivative (EDOTAO) was successfully synthesized. The synthesized monomer was evaluated by NMR and ESI-MS to confirm the synthesis of the target product. Next, in order to eliminate the possibility that the ligand molecule is affected by the electrolytic polymerization, EDOTAO was first introduced into the electrode substrate, and then a coupling reaction was carried out to introduce the ligand molecule. Using EDOT and EDOTAO, a copolymer was covalently introduced into the electrode surface by an electrolytic polymerization method. Glass carbon (GC) was used as a model electrode material as a base material. NaClO 4 , which is a protonate, was used as a dopant species during electropolymerization. A sugar chain having a reducing end was introduced by a covalent bond by a glycoblotting reaction using an oxylamine group as a linker. 2,6-sialyllactose was used as a sugar chain specific for hemagglutinin of H1 influenza virus, and 2,3-sialyllactose was used as a sugar chain specific for hemagglutinin of H5 type. The prepared surface was evaluated by cyclic voltammetry (CV), AC impedance measurement (EIS), SEM, XPS, step measurement, and QCM. Particularly good results were obtained when a monomer having a composition of 25 mol% EDOTAO was electrolytically polymerized on the electrode. Influenza A (H1N1) virus was detected using the above electrodes. QCM measurement confirmed the specific binding of the virus to the surface of the 2,6-sialyllactose-introduced electrode. Furthermore, label-free electrical detection of viruses was realized by potential measurement. The sensitivity is hundreds of times higher than that of the conventional hemagglutination test, enabling rapid and real-time high-sensitivity specific detection of influenza virus.

2016年1月19日に出願された日本国特許出願2016−008084の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
また、この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に援用されて取り込まれる。
The disclosure of Japanese patent application 2016-008084, filed January 19, 2016, is incorporated herein by reference in its entirety.
Further, the present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the above invention. Various modifications are also included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.
All documents, patent applications, and technical standards described herein are to the same extent as if the individual documents, patent applications, and technical standards were specifically and individually stated to be incorporated by reference. Incorporated and incorporated herein.

<符号の説明>
10 バイオセンサ用デバイス、10a プローブ固定電極部、12 電極(導電層)、13 ゲート電極部、14 中間層、15 ゲート電極、16 オリゴ糖、20 バイオセンサ、22S ソース、24D ドレイン、28 ゲート絶縁膜、32 シリコン基板、47 ゲート絶縁膜
<Explanation of symbols>
10 Biosensor device, 10a probe fixed electrode, 12 electrode (conductive layer), 13 gate electrode, 14 intermediate layer, 15 gate electrode, 16 oligosaccharide, 20 biosensor, 22S source, 24D drain, 28 gate insulating film , 32 Silicon substrate, 47 Gate insulating film

Claims (10)

導電層と、特定のウィルス又は細菌を選択的に捕捉するオリゴ糖と、前記導電層と前記オリゴ糖とを結合する中間層と、を有し、前記中間層が、
(a)自己組織化単分子膜であり、前記自己組織化単分子膜は、前記導電層にチオール基で固定されたチオール化合物で形成されており、前記チオール化合物は、ジスルフィド結合を介した2種類の官能基を有する化合物から形成されているか;又は、
(b)導電性高分子を含み、前記導電性高分子は、3,4−エチレンジオキシチオフェン(EDOT)とEDOT−ONH2(EDOTAO)との共重合体を含む、
バイオセンサ用デバイス。
A conductive layer, possess the oligosaccharides selectively capture a specific virus or bacteria, an intermediate layer coupling the oligosaccharide and the conductive layer, wherein the intermediate layer is,
(A) A self-assembled monolayer, the self-assembled monolayer is formed of a thiol compound immobilized on the conductive layer with a thiol group, and the thiol compound is formed via a disulfide bond2. Is it formed from a compound with a type of functional group; or
(B) Containing a conductive polymer, the conductive polymer contains a copolymer of 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) and EDOT-ONH2 (EDOTAO).
Device for biosensor.
前記自己組織化単分子膜は、オキシルアミノ基またはヒドラジド基を有するチオール化合物を含む請求項に記載のバイオセンサ用デバイス。 The device for a biosensor according to claim 1 , wherein the self-assembled monolayer contains a thiol compound having an oxylamino group or a hydrazide group. 前記導電性高分子が、
(A)オキシルアミノ基またはヒドラジド基の少なくとも1つと、
(B)チエニル基、フェニル基、ピロール基、アニリン基、フルオレン基、およびインドール基からなる群より選択される少なくとも1つと、
を含むモノマーから形成される構造単位を含む、請求項または請求項に記載のバイオセンサ用デバイス。
The conductive polymer
(A) At least one of the oxylamino group or the hydrazide group and
(B) At least one selected from the group consisting of a thienyl group, a phenyl group, a pyrrole group, an aniline group, a fluorene group, and an indole group, and
The biosensor device according to claim 1 or 2 , comprising a structural unit formed from a monomer containing.
前記導電性高分子が電解重合法または酸化重合法によって形成される、請求項〜請求項のいずれか1項に記載のバイオセンサ用デバイス。 The conductive polymer is formed by electrolytic polymerization or oxidative polymerization method, a device for biosensor of any one of claims 1 to 3. 前記オリゴ糖は、特定のインフルエンザウィルスを選択的に捕捉するオリゴ糖である請求項1〜請求項のいずれか1項に記載のバイオセンサ用デバイス。 The biosensor device according to any one of claims 1 to 4 , wherein the oligosaccharide is an oligosaccharide that selectively captures a specific influenza virus. 前記導電層が、電界効果トランジスタのゲート電極又は前記ゲート電極と電気的に接続されている電極である請求項1〜請求項のいずれか1項に記載のバイオセンサ用デバイス。 The biosensor device according to any one of claims 1 to 5 , wherein the conductive layer is a gate electrode of a field effect transistor or an electrode electrically connected to the gate electrode. 請求項1〜請求項のいずれか1項に記載のバイオセンサ用デバイスを備えるバイオセンサ。 A biosensor comprising the biosensor device according to any one of claims 1 to 6 . 請求項1〜請求項のいずれか1項に記載のバイオセンサ用デバイスを複数備え、それぞれのバイオセンサ用デバイスの前記オリゴ糖が、互いに異なった特定のウィルス又は細菌を選択的に捕捉するオリゴ糖である請求項に記載のバイオセンサ。 An oligo comprising a plurality of biosensor devices according to any one of claims 1 to 6, and the oligosaccharides of the biosensor devices selectively capture specific viruses or bacteria different from each other. The biosensor according to claim 7 , which is a sugar. 少なくとも一つのバイオセンサ用デバイスの前記オリゴ糖が、シアル酸残基を含む請求項又は請求項に記載のバイオセンサ。 The biosensor according to claim 7 or 8 , wherein the oligosaccharide of at least one biosensor device contains a sialic acid residue. 電位、振動数及び屈折率から選択されるいずれか一つの変化に基いてウィルス又は細菌を検出する請求項〜請求項のいずれか1項に記載のバイオセンサ。 The biosensor according to any one of claims 7 to 9 , which detects a virus or a bacterium based on any one change selected from an electric potential, a frequency, and a refractive index.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6782218B2 (en) 2017-11-17 2020-11-11 株式会社東芝 Detection device and detection method
CN109721621B (en) * 2018-12-30 2021-01-15 内蒙古民族大学 Preparation method of sialic acid recognition conductive polymer precursor
US11391730B2 (en) * 2019-12-31 2022-07-19 Robert Bosch Gmbh Sensor refresh systems
CN111436390B (en) * 2020-04-20 2021-11-16 中国热带农业科学院热带生物技术研究所 Temperature regulation culture system and method for reducing mortality of TiLV to tilapia
JPWO2021220928A1 (en) 2020-04-27 2021-11-04
CN113125544B (en) * 2021-03-10 2022-10-18 复旦大学 Coronavirus and influenza virus detection device and method

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005077210A (en) * 2003-08-29 2005-03-24 National Institute For Materials Science Biomolecule detecting element and nucleic acid analyzing method using it

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220120095A (en) 2021-02-23 2022-08-30 부산가톨릭대학교 산학협력단 Method for avoiding virus infected spot using electronic nose and computer readable stroage medium of recording the method

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