JP7062272B2 - センサチップ及びその製造方法、分析装置、並びに分析方法 - Google Patents

Description

本開示は、センサチップ及びその製造方法、分析装置、並びに分析方法に関する。

検体液中に含まれる抗原及び抗体等の成分の濃度を電圧変化又は電流変化に基づいて検知可能な溶液成分センサが知られている。例えば、特許文献１では、基板と、基板上に所定の間隔をおいて配置された電極対と、電極対の表面および電極対間の基板の表面を被覆し感応物質を分散保持した絶縁膜を備える溶液成分センサが開示されている。

特許文献２では、基板と、当該基板上に所定間隔をおいて配置した一組の電極と、絶縁性の固体粒子が分散媒に分散され一組の電極の各々を繋ぐ流動体及び被検体液を保持可能である絶縁性の流動体保持部と、を有する測定装置が開示されている。この測定装置の流動体保持部に、分散媒中に絶縁性の個体粒子が分散された被検体液を保持させて、電圧及び電流を測定し、被検体液中の所望の成分を分析する方法が開示されている。

特開２００８－１３４１０５号公報 特開２０１３－１１３６２７号公報

溶液成分センサ等の分析装置は、検知対象成分を高精度に分析可能であることが望ましい。しかしながら、例えば、懸濁している場合、又は、固形物が含まれている場合等は、検知対象成分を高い精度で検知することが困難になり易い。そこで、本開示は、一つの側面において、検知対象成分を高い精度で検知することが可能なセンサチップ及びその製造方法を提供することを目的とする。本開示は、別の側面において、検知対象成分を高い精度で検知することが可能な分析装置を提供することを目的とする。本開示は、さらに別の側面において、検知対象成分を高い精度で検知することが可能な分析方法を提供することを目的とする。

本開示は、一つの側面において、基板と、基板に設けられた複数の電極対と、電極対の対向部を被覆する絶縁性の被膜と、を備えるセンサチップであって、複数の電極対のうちの少なくとも２つにおける被膜は、互いに異なる厚みを有するセンサチップを提供する。

上記センサチップは、複数の電極対のうちの少なくとも２つにおける被膜は、互いに異なる厚みを有する。被膜の厚みが異なる複数の電極対は、被膜の厚みの違いに起因して、検知対象成分に対する感度が互いに異なることとなる。このような感度の相違を利用することによって、検知対象成分を高い精度で検知することができる。上記センサチップは、試料が、例えば、検知対象成分以外の成分を多く含有する場合、又は、固体と液体の懸濁物である場合に特に有用である。

上記被膜に被覆された複数の電極対の対向部は、基板上において検知対象成分を保持する収容部に配置されていてもよい。これによって、例えば試料の流動性が高い場合も十分に高い精度で検知対象成分を検知することができる。

基板上に設けられた複数の電極対の対向部を被覆する被膜は、互いに異なる厚みを有していてもよい。例えば、被膜の厚みが互いに異なる３つ以上の電極対を備えることによって、検知対象成分を一層高い精度で検知することができる。

上記センサチップは、検知対象成分と、当該検知対象成分の酸化還元反応に関与する反応基質と、を含有する試料の分析用であってもよい。検知対象成分はヘモグロビンに由来する鉄錯体を含み、反応基質が過酸化水素を含んでもよい。これによって、検知対象成分を十分に高い精度で検知することができる。

本開示は、別の側面において、基板と、基板に設けられた電極対と、電極対の対向部を被覆する絶縁性の被膜と、を備え、試料に含まれる検知対象成分を検知するセンサチップであって、検知対象成分が鉄錯体を含み、試料が検知対象成分の酸化還元反応に関与する反応基質を含む、センサチップを提供する。このようなセンサチップは、鉄錯体と反応基質との酸化還元反応を利用するため、高い精度で検知対象成分を検知することができる。

被膜は高分子膜であってもよい。高分子膜は、エチルセルロース、ポリ塩化ビニル、及びフォトレジストから選ばれる少なくとも一つを含んでいてもよい。被膜は、ソルビタンモノステアレートを含んでいてもよい。これによって、検知対象成分を一層高い精度で検知することができる。

本開示は、さらに別の側面において、上述のいずれかのセンサチップと、電極対と電気的に接続され、電極対の間の導電性の変化を検知する検知部と、を備える、分析装置を提供する。この分析装置は、上述のセンサチップのいずれかを備えることから、検知対象成分を高い精度で検知することができる。電極対は一つであってもよいし、複数であってもよい。

本開示は、さらに別の側面において、基板に設けられた複数の電極対の対向部に絶縁材料を含有する絶縁材料含有液を塗布する工程と、絶縁材料含有液に含まれる溶媒を除去して、対向部を被覆する絶縁性の被膜を形成する工程と、を有し、複数の電極対のうちの少なくとも２つにおける対向部には、前記絶縁材料の濃度が互いに異なる前記絶縁材料含有液をそれぞれ塗布する、センサチップの製造方法を提供する。

上記センサチップの製造方法では、絶縁材料の濃度が互いに異なる絶縁材料含有液を、複数の電極対うちの少なくとも２つにおける対向部にそれぞれ塗布して被膜を形成している。このようにして得られるセンサチップは、複数の電極対うちの少なくとも２つにおいて、検知対象成分に対する感度が異なる。この感度の相違を利用することによって、検知対象成分を高い精度で検知することができる。上記センサチップは、試料が、例えば、検知対象成分以外の成分を多く含有する場合、又は、固体と液体の懸濁物である場合に特に有用である。

本開示は、さらに別の側面において、上述の分析装置を用いる分析方法であって、被膜の厚みの相違に応じた検知結果に基づいて検知対象成分を検知する工程を有する分析方法を提供する。この分析方法では、上述の分析装置を用いていることから、高い精度で検知対象成分を検知することができる。検量線等を利用することによって、定量分析を行うこともできる。

本開示は、さらに別の側面において、上述の製造方法で得られるセンサチップを有する分析装置を用いる分析方法であって、複数の電極対における検知対象成分に対する感度の相違に基づいて、検知対象成分を検知する工程を有する分析方法を提供する。この分析方法では、上述の製造方法で得られるセンサチップを有する分析装置を用いていることから、複数の電極対うちの少なくとも２つの対向部では、検知対象成分に対する感度が相違する。この感度の相違に基づいて、高い精度で検知対象成分を検知することができる。

一つの側面において、検知対象成分を高い精度で検知することが可能なセンサチップ及びその製造方法を提供することができる。本開示は、別の側面において、検知対象成分を高い精度で検知することが可能な分析装置を提供することができる。本開示は、さらに別の側面において、検知対象成分を高い精度で検知することが可能な分析方法を提供することができる。

図１は、センサチップ及びこれを備える分析装置の一実施形態を示す模式図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。 図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。 図４は、一実施形態に係る分析装置に備えられるセンサチップと検知部の機能的な関係を示すブロック図である。 図５は、被膜の厚さと検知部から出力される信号の関係を示す図である。 図６は、実施例１－１の走査型顕微鏡による断面写真に電極対と被膜の境界線を記入した図である。 図７は、実施例１－２の走査型顕微鏡による断面写真に電極対と被膜の境界線を記入した図である。 図８は、実施例１－５の走査型顕微鏡による断面写真に電極対と被膜の境界線を記入した図である。 図９は、実施例１－６の走査型顕微鏡による断面写真に電極対と被膜の境界線を記入した図である。 図１０は、実施例１－７の走査型顕微鏡による断面写真に電極対と被膜の境界線を記入した図である。 図１１は、実施例１－８の走査型顕微鏡による断面写真に電極対と被膜の境界線を記入した図である。 図１２は、収容部に滴下した高分子溶液における高分子濃度（ポリ塩化ビニル濃度）と、計測された電圧値との関係を示すグラフである。 図１３は、収容部に滴下した高分子溶液における高分子濃度（フォトレジスト濃度）と、計測された電圧値との関係を示すグラフである。 図１４は、収容部に滴下した溶液におけるソルビタンモノステアレート濃度と、計測された電圧値との関係を示すグラフである。 図１５は、収容部に滴下した高分子溶液における高分子濃度（エチルセルロース濃度）と、計測された電圧値との関係を示すグラフである。 図１６は、収容部に滴下した高分子溶液における高分子濃度（コレステロール濃度）と、計測された電圧値との関係を示すグラフである。 図１７は、収容部に滴下した高分子溶液における高分子濃度（エチルセルロース濃度）と、計測された電圧値との関係を示すグラフである。 図１８には、血液濃度と相関式の傾きの関係を示すグラフである。

以下、場合により図面を参照して、本開示のセンサチップ及びその製造方法、分析装置、並びに分析方法の幾つかの実施形態を以下に説明する。ただし、以下の実施形態は、本開示を説明するための例示であり、本開示を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用い、場合により重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、各要素の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

図１は、センサチップ及びこれを備える分析装置の一実施形態を示す模式図である。図１の分析装置１００は、センサチップ１０と、センサチップ１０に設けられた電極対１２の間の導電性を検知するように構成される検知部２０と、電極対１２と検知部２０とを電気的に接続する導線３０とを備える。分析装置１００は、溶液分析装置と称されることもある。本開示における電極対１２は、一対の電極で構成され、一対の電極の先端が互いに対向するように配置される。

センサチップ１０は、基板１１と、基板１１の上に設けられた５つの電極対１２（電極対１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ）と、基板１１上において検知対象成分を保持する５つの収容部１５（収容部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ）とを有する。

電極対１２は、収容部１５に配置される対向部１２ａと、基板１１の端部から対向部１２ａに延在する基端部１２ｂを有する。対向部１２ａは、一対の電極が互いに対向する部分である。当該部分は、電極対１２の先端部に相当する。基端部１２ｂは、導線３０を介して検知部２０に接続されている。電極対１２の対向部１２ａ同士は、収容部１５において互いに対向するように離れて設けられている。電極対１２の一方が正極として機能し、他方が負極として機能する。検知部２０は、電極対１２の対向部１２ａ同士の間の導電性を検知できるように構成される。

基板１１は、少なくとも表面が絶縁性であることが好ましく、例えば、無機材料及び／又は有機材料で構成される。無機材料としては、例えば、ガラス、水晶、窒化ケイ素、ダイアモンド、及び陶器等のセラミックスが挙げられる。有機材料としては、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、テフロン（登録商標）等のフッ素樹脂、生分解性プラスチック、紙、及び木材等が挙げられる。基板１１の形状は、特に限定されない。基板１１は、例えば、平面視で四角形などの多角形であってもよいし、円形であってもよい。

電極対１２は、導電性を有する材料で構成される。そのような材料としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ及びＡｌからなる群より選ばれる少なくとも一種を含む金属、又は少なくとも二種以上を含む合金が挙げられる。電極対１２は、リン又は硫黄をドープしたシリコン等の半導体材料によって構成されていてもよい。電極対１２は、例えばスパッタリングで金属膜を形成した後、エッチングすることによって所定の形状に加工して形成される。

図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。すなわち、図２は収容部１５Ｂ及びその近傍を、電極対１２Ｂの対向方向に平行、且つ電極対１２Ｂを通る面で、センサチップ１０を厚さ方向に沿って切断したときの断面を模式的に示す断面図である。なお、図２には、検知部２０とセンサチップ１０との機能的な関係の理解を容易にするために、検知部２０と導線３０も併せて示している。センサチップ１０は、試料１４の分析に用いられる。試料１４の内部には、試料１４が検知対象成分として鉄錯体を含む場合に進行する化学反応の一例（フェントン反応）を、理解を容易にするために示している。

基板１１上には、電極対１２Ｂ及び絶縁膜１３がこの順で積層されている。すなわち、電極対１２Ｂと絶縁膜１３は、収容部１５Ｂの側壁をなしている。収容部１５Ｂにおいて電極対１２Ｂの対向部１２ａは、収容部１５Ｂにおいて露出しないように、絶縁性の被膜１８Ｂで被覆されている。すなわち、試料１４と電極対１２Ｂの対向部１２ａとが直接接触しないように、対向部１２ａは被膜１８Ｂによって被覆されている。電極対１２Ｂの対向部１２ａを被膜１８Ｂで覆うことによって、試料１４に不純物等が含まれている場合に不純物によるノイズを低減することができる。

絶縁膜１３は、例えば、絶縁性を有する樹脂等の材料で構成される。樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、ノボラック樹脂、及びアクリル樹脂等が挙げられる。このような樹脂をフォトリソグラフィ技術によって膜状又はシート状に成形することによって絶縁膜１３を形成することができる。絶縁膜１３の表面は、表面処理が施されていてもよい。

絶縁膜１３の厚みは、好ましくは１０μｍ以上である。これによって、撥水性を十分に高くして、試料１４を液滴状に維持し易くすることができる。電極対１２Ｂの厚みは、例えば１０μｍ以上である。

絶縁性の被膜１８Ｂは、電極対１２Ｂとは導電性が異なる。被膜１８Ｂの材料としては、膜厚が制御されたコーティングが容易に形成可能であり、コーティングした被膜１８Ｂが安定した絶縁性能を有するものを用いることが好ましい。そのような材料としては、高分子材料、ゴム、脂質（油脂）、無機材料等が挙げられる。

被膜１８Ｂは、高分子を含む高分子膜であってもよい。高分子膜は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、エチルセルロース、ポリ塩化ビニル、フォトレジスト、コレステロール、セルロース（セロファン）、酢酸セルロース、三酢酸セルロース、硝酸セルロース、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、芳香族ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、及びポリビニルアルコールからなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでいてもよい。被膜１８Ｂは、ステアリン酸、エルカ酸アミド、及びソルビタンモノステアレートからなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでいてもよい。これらのうち、検知対象成分の検知精度を一層高くする観点から、エチルセルロース、ポリ塩化ビニル、ソルビタンモノステアレート及びフォトレジストからなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでもよい。

被膜１８Ｂは、ゴムとして、天然ゴム及びラテックスからなる群より選ばれる少なくとも一方を含んでもよい。被膜１８Ｂは、脂質として、バター、マーガリン、パーム油、ラード、ヘット（常温で固体の油脂）、リン脂質、糖脂質、リポタンパク、脂肪族アルコール、重油、タール、ワックス及びロウからなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでもよい。被膜１８Ｂは、無機材料として、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス等のガラス、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＦ、ＳｉＯＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＴｉＯ_２、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、炭酸カルシウム、ケイ酸カルシウム、ダイアモンド及びサファイアからなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでもよい。

被膜１８Ｂは、収容部１５Ｂにおいて、基板１１、電極対１２Ｂ及び絶縁膜１３の表面を一体的に覆うように吸着している。ただし、被膜１８Ｂは、基板１１及び絶縁膜１３の表面を被覆していなくてもよい。電極対１２Ｂの間の導電性の変化を高い精度で検知できるようにする観点から、収容部１５Ｂにおいて、電極対１２Ｂが露出しないように電極対１２Ｂが被膜１８Ｂによって被覆されていることが好ましい。

電極対１２Ｂの対向部１２ａを被覆する被膜１８Ｂの厚みＨ_Ｂは、均一でなくてよく、不均一であってよい。被膜１８Ｂの厚みＨ_Ｂは、絶縁材料の種類により異なるが、電極対１２Ｂで１０～５０００ｍＶの電気信号強度が得られる厚みであることが好ましい。被膜１８Ｂが高分子膜のとき、厚みＨ_Ｂは好ましくは１～５０μｍで、より好ましくは２～１０μｍである。厚みＨ_Ｂがこの範囲より小さいと、外乱信号を拾って検知対象成分の検知精度が低下する傾向にある。一方、厚みＨ_Ｂがこの範囲より大きいと、検知対象成分の検知が困難となる場合がある。被膜１８Ｂの厚みＨ_Ｂの算術平均値は、例えば、１～５０μｍの範囲内にあってよい。

被膜１８Ｂの厚みＨ_Ｂは、以下のとおりにして測定することができる。すなわち、センサチップ１０を破断して、図２のような断面を得る。この断面を、走査型電子顕微鏡を用いて観察する。観察画像において、任意に選択した３箇所で被膜１８Ｂの厚みＨ_Ｂを測定する。測定した厚みＨ_Ｂから、算術平均値と標準偏差を求めることができる。被膜１８Ｂの厚みＨ_Ｂの標準偏差は、例えば２μｍ以下であってよい。被膜１８Ｂの厚みのばらつきは小さい方が好ましく、例えばＣＶ値が５０％以下であってよい。ＣＶ値（％）は、以下の計算式で求めることができる。
ＣＶ値（％）＝（標準偏差／算術平均値）×１００

収容部１５Ｂに収容される試料１４（検体）としては、血液、尿、便、体液、動植物の組織、細胞、汚水及び廃液等が挙げられる。試料１４に含まれる検知対象成分としては、電解質が例示され、より具体的には、錯体が挙げられる。錯体としては、遷移金属に配位子が配位したものが挙げられる。遷移金属は、例えば、新ＩＵＰＡＣの周期表において、５～１１族に属する遷移金属元素を含んでいてもよく、８～１０族に属する遷移金属元素を含んでいてもよい。これらのうち、感度を十分に高くする観点から、鉄族元素（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）を含むことが好ましく、鉄錯体を含むことがより好ましい。錯体は一種であってもよいし、二種以上の混合物であってもよい。分析装置１００は、例えば、試料１４に上述の検知対象成分が含まれるか否かを検知したり、検知対象成分の濃度を求めたりすることができる。

試料１４は、検知対象成分の酸化還元反応に関与する反応基質を含有することが好ましい。反応基質としては、過酸化水素、溶存酸素、過マンガン酸カリウム、塩素、ニクロム酸カリウム、希硫酸、二酸化硫黄等の酸化剤、及び、シュウ酸、溶存水素、硫化水素、塩化スズ、アスコルビン酸、亜硫酸ナトリウム等の還元剤が挙げられる。

試料１４が血液を含む場合、血液中の酵素を失活させるため、試料１４に硫酸を加えることが好ましい。これによって、試料１４が血液を含む場合であっても、検知対象物質を一層高い精度で検知することができる。

試料１４に含まれる検知対象成分（図２では３価の鉄イオンを例示）は、負電極（図２では電極対１２Ｂのうち左側の電極）から電子を受け取り、還元状態（図２では２価の鉄イオン）となる。これとともに反応基質（図２では過酸化水素）が分解し、電子を受け取り、正電極（図２では電極対１２Ｂのうち右側の電極）へ電子を受け渡す。検知対象成分（図２では２価の鉄イオンを例示）は酸化され、再び負電極で還元される。このようにして電極対１２Ｂ間で電子の授受が起こり、検知部２０で検知される信号が得られる。

図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。すなわち、図３は収容部１５Ｃ及びその近傍を、電極対１２Ｃの対向方向に平行、且つ電極対１２Ｃを通る面で、センサチップ１０を厚さ方向に沿って切断したときの断面を模式的に示す断面図である。

図２と同様に、電極対１２Ｃと絶縁膜１３は、収容部１５Ｃの側壁をなしている。収容部１５Ｃにおいて電極対１２Ｃの対向部１２ａは、絶縁性の被膜１８Ｃで被覆されている。収容部１５Ｃは、収容部１５Ｂと同様の構造を備えるが、電極対１２Ｃの対向部１２ａを被覆する被膜１８Ｃの厚みＨ_Ｃが被膜１８Ｂの厚みＨ_Ｂよりも小さくなっている。厚みＨ_Ｃの算術平均値は、厚みＨ_Ｂの算術平均値よりも小さく、例えば、０．１～１０μｍである。被膜１８Ｃの厚みＨ_Ｃも、被膜１８Ｂの厚みＨ_Ｂと同様にして測定することができる。

電極対１２Ｃの対向部１２ａを被覆する被膜１８Ｃの厚みＨ_Ｃは、被膜１８Ｂと同様に、均一でなくてよく、不均一であってよい。この場合、厚みＨ_Ｃの算術平均値が、厚みＨ_Ｂの算術平均値よりも小さくなっていればよい。厚みＨ_Ｃの算術平均値及び標準偏差は、Ｈ_Ｂの算術平均値の標準偏差と同じ方法で求めることができる。被膜１８Ｂの厚みＨ_Ｂの標準偏差は、例えば２μｍ以下であってよい。被膜１８Ｃの厚みのばらつきは小さい方が好ましく、例えばＣＶ値が５０％以下であってよい。

電極対１２Ｃの対向部１２ａを被覆する被膜１８Ｃの厚みＨ_Ｃの最大値が、電極対１２Ｂの対向部１２ａを被覆する被膜１８Ｂの厚みＨ_Ｂの最小値よりも小さいことが好ましい。これによって、被膜１８Ｂと被膜１８Ｃの厚みの相違による導電性の相違が大きくなり、検知対象成分の検知精度を一層高くすることができる。

本実施形態では、５つの電極対１２のうち、少なくとも、電極対１２Ｂ及び電極対１２Ｃの対向部１２ａを被覆する被膜１８Ｂ及び被膜１８Ｃの厚みが互いに異なっている。本開示において、異なる電極対の対向部における被膜の厚みの異同は、それぞれの断面で測定される３点の厚みの算術平均値で判断される。

センサチップ１０が備える５つの電極対１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅの対向部１２ａを被覆する被膜の厚みを、それぞれ、Ｈ_Ａ，Ｈ_Ｂ，Ｈ_Ｃ，Ｈ_Ｄ，Ｈ_Ｅとしたとき、Ｈ_Ａ，Ｈ_Ｂ，Ｈ_Ｃ，Ｈ_Ｄ，Ｈ_Ｅは、全て互いに相違していてもよいし、一部が同一であってもよい。すなわち、Ｈ_Ａ＞Ｈ_Ｂ＞Ｈ_Ｃ＞Ｈ_Ｄ＞Ｈ_Ｅの関係であってもよいし、Ｈ_Ａ＝Ｈ_Ｂ＞Ｈ_Ｃ＝Ｈ_Ｄ＝Ｈ_Ｅであってもよい。すなわち、５つの電極対１２Ａ～１２Ｅの少なくとも二つの対向部１２ａを被覆する被膜の厚みが、互いに異なっていればよい。このように対向部１２ａを被覆する被膜の厚みが異なることによって、検知対象成分に対する感度を異ならせることができる。この検出感度の相違を利用することによって、検知対象成分を高い精度で検知することができる。

図４は、分析装置１００に備えられるセンサチップ１０と検知部２０の機能的な関係を示すブロック図である。検知部２０は、導線３０を介してセンサチップ１０の各電極対１２Ａ～１２Ｅと電気的に接続されている。検知部２０は、回路部２３と、制御部２１とを備える。回路部２３は、電圧測定部２４、電流測定部２６、及び電源部２８を有しており、これらは導線を介して互いに電気的に接続されている。

電源部２８は、センサチップ１０の電極対１２に対して所定の電圧を印加する。印加する電圧の大きさは、例えば制御部２１によって制御される。電圧測定部２４は、電極対１２間の抵抗に基づく検出電圧を制御部２１に出力するように構成される。電流測定部２６は、回路部２３における電流の大きさを検出し、検出電流を制御部２１に出力するように構成される。制御部２１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、入出力インターフェイス及び演算結果を表示する表示部等を備える。

制御部２１は、入出力インターフェイスを介して入力される回路部２３からの電圧情報及び電流情報に基づいて、各電極対１２間の導電性に関する情報をそれぞれ算出する。導電性に関する情報は抵抗値であってもよいし、電圧値又は電流値であってもよい。制御部２１は、導電性に関する情報に基づいて、検知対象成分の有無を判定するプログラム、又は、検知対象成分の濃度を算出するプログラムを有していてもよい。例えば、制御部２１は、電極対１２Ａ～１２Ｅの電流値又は電圧値の差異に基づいて、検知対象成分の有無又は検知対象成分の濃度を算出することができる。

検知部２０の構成は上述の例に限定されず、電極対１２の間の導電性の変化を検知できるものを適宜用いることができる。

分析装置１００によれば、試料１４に含まれる検知対象成分の有無、又は検知対象成分の濃度を高い精度で分析することができる。分析装置１００は、例えば、収容部１５に検知対象成分を含む試料１４を所定量滴下するだけの作業で検知対象成分の濃度を測定できることから、測定者の技量によらず、高い再現性を実現することができる。

以上、分析装置の幾つかの実施形態を説明したが、分析装置は上述のものに限定されない。例えば、図２及び図３の分析装置１００において、被膜１８（１８Ｂ，１８Ｃ）は、収容部１５の中央部を被覆せず、収容部１５における電極対１２の対向部１２ａの露出面のみを被覆するように設けられていてもよい。

被膜１８Ｂ，１８Ｃが同じ厚みを有し、電極対１２Ａ，１２Ｄ，１２Ｅの対向部を覆う被膜の少なくとも一つが他の被膜と異なる厚さを有してもよい。分析装置１００における電極対１２及び収容部１５の数は５個に限定されるものではなく、２～４個であってもよいし、６個以上であってもよい。基板１１、電極対１２及び収容部１５は、図示の形状に限定されない。例えば、電極対は、図１のような略Ｌ字状ではなく直線状であってもよいし、曲線状であってもよい。センサチップにおいて、絶縁膜の方が電極対よりも収容部の中心に向かって延在していてもよい。

一実施形態に係るセンサチップの製造方法は、絶縁材料の濃度が互いに異なる複数の絶縁材料の含有液を調製する工程と、基板に設けられた複数の電極対の対向部に、絶縁材料を含む絶縁材料含有液を塗布する工程と、当該含有液に含まれる溶媒を除去して、上記対向部を被覆する被膜を形成する工程と、を有する。

上記製造方法では、基板に設けられた複数の電極対の対向部に絶縁材料を含む絶縁材料含有液を塗布する工程において、複数の電極対のうちの少なくとも２つにおける対向部には、絶縁材料の濃度が互いに異なる絶縁材料含有液をそれぞれ塗布して絶縁性の被膜を形成する。これによって、複数の電極対のうちの少なくとも２つの対向部に厚みが異なる被膜を形成することができる。ここで、「塗布」とは、例えば、スプレー、滴下、又はディッピング等の方法で電極対の対向部に被膜を形成する方法である。絶縁材料含有液は、例えば、有機溶媒と有機溶媒中に溶解又は分散された絶縁材料を含む。絶縁材料としては、高分子材料、ゴム、脂質（油脂）、無機材料等が挙げられる。これらの絶縁材料の具体例は、上述の被膜１８Ｂの説明において挙げたとおりである。絶縁材料含有液における絶縁材料の濃度は、例えば、０．５～５重量％である。

上記製造方法によって得られるセンサチップは、例えば、図１～図３に示されるセンサチップ１０であってよい。センサチップ１０の構造及び機能は上述したとおりである。本実施形態の製造方法で得られるセンサチップは、複数の電極対を覆う被膜の厚みの違いに起因して、検知対象成分の感度を異ならせることができる。この感度の相違に基づいて、検知対象成分を高い精度で検知することができる。このようなセンサチップは、試料が、例えば、検知対象成分以外の成分を多く含有する場合、又は、固体と液体の混合物である場合に特に有用である。

一実施形態に係る分析方法は、センサチップ１０と検知部２０を備える分析装置１００を用いて実施することができる。この分析方法は、検知対象成分に対する電極対１２Ｂ，１２Ｃの感度の相違に基づいて検知対象成分を検知する工程を有する。この分析方法では、感度の相違に基づいていることから、例えば、試料が固体と液体の混合物であっても高い精度で検知対象成分を検知することができる。

分析方法の一例では、収容部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅに、検知対象成分と反応基質とを含有する所定量の試料を滴下する。各収容部に設けられた電極対１２の対向部１２ａにおける被膜の厚さが互いに異なると、検知対象成分に対する感度が互いに異なることとなる。通常は、被膜の厚さが大きくなるにつれて、検知対象成分に対する感度は低くなる。

図５は、被膜の厚さと検知部から出力される信号の関係を示す図である。横軸は被膜の厚さを示し、縦軸は信号（例えば、電圧値又は電流値）を示す。図５に示されるとおり、通常は、被膜の厚さが大きくなるにつれて、検知対象成分に対する感度が低くなることから、一次回帰分析によって右肩下がりの直線を描くことができる。回帰式に基づいて、以下の比例関係を導くことができる。
信号強度∝（被膜の厚み）×α

検知対象成分の濃度に応じて、図５に示される直線の傾きが変化する被膜を選択すれば、その傾きに応じて検知成分の濃度を求めることができる。そのような被膜として、例えば、エチルセルロース、ポリ塩化ビニル、ソルビタンモノステアレート、フォトレジスト及びコレステロールが挙げられる。

例えば、図５の直線Ａ（傾き：α）は、検知対象成分の濃度がｘ重量％のときの関係を示し、直線Ｂ（傾き：β）は、検知対象成分の濃度がｙ重量％のときの関係を示す（ｘ＞ｙ）。検知対象成分の濃度と直線の傾きの相関関係を予め調べておき、制御部２１において当該関係を記憶しておいてもよい。そして、試料の分析によって求められた傾きと制御部２１に記憶された相関関係とに基づいて、試料に含まれる検知対象成分の濃度を求めてもよい。このような分析方法によれば、例えば、血液中に含まれるヘモグロビン由来の鉄錯体をはじめ、唾液、汗、タン、尿、便、体液、動植物の組織、細胞、汚水、及び廃液等に含まれる電解質を高い精度で検出することができる。また、被検体が均一な液体でない場合は、混合により均一化の前処理をすることにより、検知対象成分の測定精度を高めてもよい。

上述のとおり、本開示は、幾つかの側面において、特定の検知対象成分を検知できる分析装置及びこれを用いた分析方法を提供することができる。上記実施形態のような電極チップ型のセンサは、半導体製造方法で小型、量産化できるため、各個人が、いつでも、どこでも生体内情報をモニターしたり、大腸がん、潜血便、及び成人病の検査をしたりすることができる。このため、病気の早期発見が可能となる。

近年、電化製品、スマートフォン、自動車、及び社会インフラなどに搭載されている様々なセンサの信号を無線でインターネットに接続して情報収集するＩｏＴ（Internet of things：あらゆる物のインターネット化）技術が注目されている。ＩｏＴの実現によって、遠隔で多種多様な機器のデータのやりとり及び制御が可能となる。さらに収集した膨大なビックデータの解析で、様々な現象の予測に利用可能となることが期待されている。

上述の分析装置は、検出信号をＷｉ－Ｆｉ等の近距離無線でインターネットに接続する端末としても利用することができる。このような無線型のバイオセンサは、ヒトの生体内又は排泄物の情報を収集して健康状態を遠隔から診断したり、病気の予兆を検知したりする遠隔医療への利用が期待される。

以上、幾つかの実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、別の実施形態のセンサチップは、電極対を一つのみ備えるものであってもよい。一つの電極対は、図２に示す電極対１２Ｂであってもよいし、図３に示す電極対１２Ｃであってもよい。電極対が一つのみであっても、図２，図３に示されるような鉄錯体と反応基質（過酸化水素）との酸化還元反応によって、検知対象成分である鉄錯体を高い精度で検知することができる。

実施例を参照して、本開示の内容をより詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１～図４に示すような分析装置を作製した。具体的には、ガラス基板と、ガラス基板上に設けられるクロム製の電極対と、電極対の上面を覆う樹脂製の絶縁膜と、基板上において電極対及び絶縁膜で形成される収容部と、を備える市販のセンサチップ（アルバック成膜株式会社製、商品名：ウェルセンサ５）を準備した。センサチップは、５組の電極対と５つの収容部を有していた。

表１に示す４種類の高分子、ソルビタンモノステアレート、ステアリン酸、及びエルカ酸アミド（以下、纏めて高分子等という）を準備して所定濃度の高分子溶液（高分子等の溶液）を調製した。高分子等を溶解するための溶媒としてはテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）を用いた。ポリ塩化ビニル、エチルセルロース、コレステロールは、和光純薬製の試薬を用いた。フォトレジストは、東京応化工業株式会社製のポジ型レジストを用いた。

実施例１－１では、上述のセンサチップの収容部（ウェル）に、ポリ塩化ビニル溶液（ポリ塩化ビニルの濃度：１．２重量％）を２μＬ滴下した。室温で５分間の減圧乾燥を行った後、１００℃のホットプレートに５分間載置して乾燥を行った。これによって、電極対の対向部を被覆するポリ塩化ビニルの膜を形成した。その後、センサチップの裏側からヤスリで傷を入れ、図２，３に示すような断面を得た。走査型電子顕微鏡（倍率：２０００倍）を用いて断面を観察した。観察画像において、電極対の対向部を被覆する被膜の厚みを、任意に選択した３箇所において測定し算術平均値と標準偏差を求めた。結果は、表１に示すとおりであった。また、表１には、ＣＶ値（％）＝１００×（標準偏差／平均値）も併せて示した。

実施例１－１と同様にして、表１に示す各高分子等の溶液を用いて、電極対の対向部を被覆するように被膜を形成した。実施例１－１と同様にして、被膜の厚みの算術平均値、標準偏差及びＣＶ値を求めた。結果は、表１に示すとおりであった。各高分子等において、高分子等の濃度を変えることで、厚みが異なる被膜が形成されることが確認された。

各高分子等の中でも、ポリ塩化ビニル及びフォトレジストは、被膜の厚みが、高分子溶液における高分子濃度に大きく依存することが確認された。一方、ソルビタンモノステアレート及びエチルセルロースについては、被膜の厚みが、溶液におけるソルビタンモノステアレート及びエチルセルロースの濃度に殆ど依存しないことが確認された。エチルセルロースは、高分子溶液中の高分子濃度が高い方（実施例１－８）が、低い方（実施例１－７）よりも膜厚の平均値が小さかった。これは、エチルセルロースの膜厚が、高分子溶液中の高分子濃度に対する依存性が低いことを示している。ただし、実施例１－８の方が、実施例１－７よりも緻密な被膜が形成されていた。このため、実施例１－８の被膜の方が実施例１－７の被膜よりも高い絶縁性を有していると考えられる。ソルビタンモノステアレートを用いた実施例１－５と実施例１－６も同様の傾向がみられた。このように、高分子等の溶液における高分子等の濃度を大きく変えることで、絶縁性が異なる被膜を形成することができる。

図６は、実施例１－１の走査型顕微鏡による断面写真に電極対と被膜の境界線と被膜の厚みの測定値を記入した図である。測定値のうち「ｃｍ」単位で表記されている値は画像の写真におけるサイズであり、これを実際の厚みに変換した値を「μｍ」単位で表１に示している。図７以降の写真についても同様である。

図７は、実施例１－２の走査型顕微鏡による断面写真に電極対と被膜の境界線を記入した図である。図８は、実施例１－５の走査型顕微鏡による断面写真に電極対と被膜の境界線を記入した図である。図９は、実施例１－６の走査型顕微鏡による断面写真に電極対と被膜の境界線を記入した図である。

図１０は、実施例１－７の走査型顕微鏡による断面写真に電極対と被膜の境界線を記入した図である。図１１は、実施例１－８の走査型顕微鏡による断面写真に電極対と被膜の境界線を記入した図である。

ポリ塩化ビニル、フォトレジスト、ソルビタンモノステアレート、又はエチルセルロースを用いて形成した被膜は、ステアリン酸、エルカ酸アミド又はコレステロールを用いて形成した被膜よりも緻密であった。また、緻密な被膜を形成できるものの方が、厚みのばらつきが小さくなる傾向にあった。

（実施例２）
実施例１で用いた高分子溶液を用いて、５つの電極対が互いに異なる膜厚を有する被膜で被覆されたセンサチップを作製した。作製したセンサチップを用いた分析装置によって、各試料の電圧値の測定を行った。センサチップの作製手順及び測定手順の詳細は以下のとおりである。

＜実施例２－１＞
ポリ塩化ビニルの濃度が互いに異なる５種類の高分子溶液（ポリ塩化ビニル濃度：１．２～２．０重量％、溶媒：テトラヒドロフラン（ＴＨＦ））を調製した。実施例１で用いた市販のセンサチップの５個の収容部に、調製した５種類の高分子溶液をそれぞれ２μＬずつ滴下した。室温で５分間の減圧乾燥を行った後、１００℃のホットプレートに５分間載置して乾燥を行った。これによって、５つの電極対が互いに異なる膜厚を有するポリ塩化ビニルの膜で被覆されたセンサチップを得た。

得られたセンサチップを蒸留水に５分間浸漬した後、水分を除去した。その後、センサチップを、検知部を有するセンサ導電度測定器（バイオセンサモジュール２０１０モデル、アーズ株式会社製）に装着して分析装置とした。

ヘモグロビンを蒸留水で希釈して、ヘモグロビン濃度が以下のとおりである試料１～４を準備した。
試料１：ヘモグロビン濃度：０（比較：蒸留水）
試料２：ヘモグロビン濃度：２．５×１０^－７Ｍ（Ｆｅ濃度：１．０×１０^－６Ｍ）
試料３：ヘモグロビン濃度：２．５×１０^－５Ｍ（Ｆｅ濃度：１．０×１０^－４Ｍ）
試料４：ヘモグロビン濃度：２．５×１０^－３Ｍ（Ｆｅ濃度：１．０×１０^－２Ｍ）

試料１～４には、試料と過酸化水素水（Ｈ_２Ｏ_２濃度：０．３重量％）とを１：１の重量比でそれぞれ混合した。上述のとおり作製した分析装置の各収容部（ウェル）に、過酸化水素水を混合した試料１を７μＬそれぞれ滴下して、電圧値を計測した。計測後、蒸留水で洗浄し、試料２について同様に電圧値を計測した。その後、試料３，４についても同様の測定を行った。結果は、表２に示すとおりであった。

図１２は、収容部に滴下した高分子溶液における高分子濃度（ポリ塩化ビニル濃度）と、計測された電圧値との関係を示すグラフである。図１２には、一次回帰分析に基づく直線、相関式及び相関係数も併せて示している。相関式の傾き（小数点第１位で四捨五入）を表２にも併せて示した。表２及び図１２に示されるとおり、ヘモグロビン濃度（Ｆｅ濃度）に応じて、相関式の傾きが変化することが確認された。

＜実施例２－２＞
ポリ塩化ビニルの溶液に代えて、フォトレジストの溶液（高分子濃度：０．１～２．０重量％）を用いたこと以外は実施例２－１と同様にしてセンサチップを作製し、分析装置を得た。そして、実施例２－１と同様にして、試料１～４の電圧値を測定した。結果は、表３に示すとおりであった。

図１３は、収容部に滴下した高分子溶液における高分子濃度（フォトレジスト濃度）と、計測された電圧値との関係を示すグラフである。図１３には、一次回帰分析に基づく直線、相関式及び相関係数も併せて示している。相関式の傾き（小数点第１位で四捨五入）を表３にも併せて示した。表３及び図１３に示されるとおり、ヘモグロビン濃度（Ｆｅ濃度）に応じて、相関式の傾きが変化することが確認された。

＜実施例２－３＞
ポリ塩化ビニルの溶液に代えて、ソルビタンモノステアレートの溶液（濃度：０．１～１．０重量％）を用いたこと以外は実施例２－１と同様にしてセンサチップを作製し、分析装置を得た。そして、実施例２－１と同様にして、試料１～４の電圧値を測定した。結果は、表４に示すとおりであった。

図１４は、収容部に滴下したソルビタンモノステアレートの溶液におけるソルビタンモノステアレート濃度と、計測された電圧値との関係を示すグラフである。図１４には、一次回帰分析に基づく直線、相関式及び相関係数も併せて示している。相関式の傾き（小数点第１位で四捨五入）を表４にも併せて示した。表４及び図１４に示されるとおり、ヘモグロビン濃度（Ｆｅ濃度）に応じて、相関式の傾きが変化することが確認された。

＜実施例２－４＞
ポリ塩化ビニルの溶液に代えて、エチルセルロースの溶液（高分子濃度：０．１～１．０重量％）を用いたこと以外は実施例２－１と同様にしてセンサチップを作製し、分析装置を得た。そして、実施例２－１と同様にして、試料１～４の電圧値を測定した。結果は、表５に示すとおりであった。

図１５は、収容部に滴下した高分子溶液における高分子濃度（エチルセルロース濃度）と、計測された電圧値との関係を示すグラフである。図１５には、一次回帰分析に基づく直線、相関式及び相関係数も併せて示している。相関式の傾き（小数点第１位で四捨五入）を表５にも併せて示した。表５及び図１５に示されるとおり、ヘモグロビン濃度（Ｆｅ濃度）に応じて、相関式の傾きが変化することが確認された。

＜実施例２－５＞
ポリ塩化ビニルの溶液に代えて、コレステロールの溶液（高分子濃度：０．１～１．０重量％）を用いたこと以外は実施例２－１と同様にしてセンサチップを作製し、分析装置を得た。そして、実施例２－１と同様にして、試料１～４の電圧値を測定した。結果は、表６に示すとおりであった。

図１６は、収容部に滴下した高分子溶液における高分子濃度（コレステロール濃度）と、計測された電圧値との関係を示すグラフである。図１６には、一次回帰分析に基づく直線、相関式及び相関係数も併せて示している。相関式の傾き（小数点第１位で四捨五入）を表６にも併せて示した。表６及び図１６に示されるとおり、ヘモグロビン濃度（Ｆｅ濃度）に応じて、相関式の傾きが変化することが確認された。

（実施例３）
ヘモグロビンに代えて、ヒトから採取した血液を用いて調製した試料を用いて、実施例２－４と同様にして電圧値の計測を行った。試料は以下の手順で調製した。血液、硫酸（０．１Ｍ）、蒸留水及びおからを、表７に示す分量で配合して懸濁物１～４を調製した。硫酸は、カタラーゼによる過酸化水素の不均化を抑制するために添加した。おからは、液体状試料のみならず、固形物が含まれる試料についても分析が可能であるかを確認するために加えた。

懸濁物１～４と、過酸化水素水（Ｈ_２Ｏ_２濃度：０．３重量％）とを１：１の重量比でそれぞれ混合して、試料５～８を調製した。これらの試料５～８を用いて、実施例２－４と同様にして電圧値の計測を行った。すなわち、５個の電極対の対向部のそれぞれが厚さの異なるエチルセルロースの被膜で被覆されたセンサチップを備える分析装置を用いて電圧値の計測を行った。結果は、表８に示すとおりであった。

図１７は、収容部に滴下した高分子溶液における高分子濃度（エチルセルロース濃度）と、計測された電圧値との関係を示すグラフである。一次回帰分析に基づく直線を表８に併せて示した。相関式及び相関係数は以下のとおりであった。
試料５：ｙ＝－１２２７．４ｘ＋１０３７．６ （Ｒ^２＝０．６４９６）
試料６：ｙ＝－１８１６．８ｘ＋１５００ （Ｒ^２＝０．６１１６）
試料７：ｙ＝－２０００．５ｘ＋１６５６．４ （Ｒ^２＝０．６５４９）
試料８：ｙ＝－２３３７．２ｘ＋２７０１．７ （Ｒ^２＝０．６７８２）

図１８には、試料中の血液の濃度と相関式の傾きの関係を示した。表８、図１７及び図１８に示されるとおり、血液の濃度（Ｆｅ濃度）に応じて、相関式の傾きが変化することが確認された。これらの結果から、固形物を含む試料の場合も、血液の濃度（Ｆｅ濃度）が測定可能であることが確認された。

一つの側面において、検知対象成分を高い精度で検知することが可能なセンサチップ及びその製造方法が提供される。別の側面において、検知対象成分を高い精度で検知することが可能な分析装置が提供される。さらに別の側面において、検知対象成分を高い精度で検知することが可能な分析方法が提供される。

１０…センサチップ、１１…基板、１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ…電極対、１２ａ…対向部、１２ｂ…基端部、１３…絶縁膜、１４…試料、１５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ…収容部、１８，１８Ｂ，１８Ｃ…被膜、２０…検知部、２１…制御部、２３…回路部、２４…電圧測定部、２６…電流測定部、２８…電源部、３０…導線、１００…分析装置。

Claims (9)

1. 基板と、前記基板に設けられた複数の電極対と、前記電極対の対向部を被覆する絶縁性の被膜と、を備えるセンサチップであって、
   前記複数の電極対のうちの少なくとも２つにおける前記被膜は、互いに異なる厚みを有し、
   検知対象成分と、当該検知対象成分の酸化還元反応に関与する反応基質と、を含有する試料の分析用であるセンサチップ。
2. 前記検知対象成分がヘモグロビンに由来する鉄錯体を含み、前記反応基質が過酸化水素を含む、請求項１に記載のセンサチップ。
3. 基板と、前記基板に設けられた電極対と、前記電極対の対向部を被覆する絶縁性の被膜と、を備え、試料に含まれる検知対象成分を検知するセンサチップであって、
   前記検知対象成分がヘモグロビンに由来する鉄錯体を含み、
   前記試料が前記検知対象成分の酸化還元反応に関与する反応基質を含む、センサチップ。
4. 前記被膜が、エチルセルロース、ポリ塩化ビニル、及びフォトレジストから選ばれる少なくとも一つを含む高分子膜である、請求項１～３のいずれか一項に記載のセンサチップ。
5. 前記被膜がソルビタンモノステアレートを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のセンサチップ。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載のセンサチップと、前記電極対と電気的に接続され、前記電極対の間の導電性の変化を検知する検知部と、を備える、分析装置。
7. 検知対象成分と、当該検知対象成分の酸化還元反応に関与する反応基質と、を含有する試料の分析用であるセンサチップの製造方法であり、
   基板に設けられた複数の電極対の対向部に絶縁材料を含有する絶縁材料含有液を塗布する工程と、
   前記絶縁材料含有液に含まれる溶媒を除去して、前記対向部を被覆する絶縁性の被膜を形成する工程と、を有し、
   前記複数の電極対のうちの少なくとも２つにおける前記対向部には、前記絶縁材料の濃度が互いに異なる前記絶縁材料含有液をそれぞれ塗布する、センサチップの製造方法。
8. 請求項１～５のいずれか一項に記載のセンサチップと、前記電極対と電気的に接続され、前記電極対の間の導電性の変化を検知する検知部と、を備える分析装置を用いる分析方法であって、
   前記被膜の厚みの相違に応じた検知結果に基づいて前記検知対象成分を検知する工程を有する分析方法。
9. 請求項７に記載の製造方法で得られるセンサチップを有する分析装置を用いる分析方法であって、
   前記複数の電極対における前記検知対象成分に対する感度の相違に基づいて、前記検知対象成分を検知する工程を有する分析方法。

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