JPH0317547A - バイオセンサー装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はバイオセンサー装置に関する。さらに詳しくは
、本発明は、電気化学的過程によって作動させることが
可能で、固定化生物触媒材料を使用できる、電気測定型
のバイオセンサーに関する。

臨床分析においては、生物学的液体中に存在するある種
の有機化合物を選択的に定量できることが重要である。

固定化生物触媒を用いる電気化学的センサーの使用は、
試験操作が単純で反応時間が短くてすむことから、とく
に有利であることが明らかにされてきた。酵素センサー
は、生物学的基質に対して良好な選択性をもち、複雑な
混合物中の単一の化合物を、最初に個々の混合物或分を
分離する必要なく分析することを可能にする。

電流測定型のバイオセンサーは、酵素触媒の特異性およ
び選択性を、電気化学の分析能と合体させることができ
る。たとえば、フラビン含有酵素、グルコースオキシダ
ーゼ（ＧＯＤ，ＥＣＩ．１．３．４）の存在下における
グルコースの酸化は、以下の反応式に従って進行する。

グルコース十ＧＯＤ　（ＦＡＤ１）→ グルコノラクトン＋ＣＯＤ　（ＦＡＤＨ２）Ｏ２＋ＧＯ
Ｄ（ＦＡＤＨ２）→ Ｈ２０２＋ＧＯＤ（ＦＡＤ１） 式中、ＦＡＤ＋およびＦＡＤＨ２はそれぞれ、フラビン
アデニンジヌクレオチドの酸化型および還元型を示す。

この反応の進行を観察する便利な方法は、過酸化水素の
発生をモニタリングすることである。バイオセンサーの
操作様式は、形成される反応生成物、過酸化水素の電気
化学的酸化をベースとすることができる。

グルコースの迅速な定量的測定は、臨床検査室のみでな
く、糖尿病患者のオンライン監視にも必要である。微生
物および食品工業においては、グルコースセンサーの使
用はプロセス制御に重要である。

ガラクトースは別の炭水化物栄養源を提供し、これは未
熟児におけるグルコースの恒常性調節を改善する。その
強い毒性作用により、その血清中ｆｉ度ヲｏ，　　２　
４ｍｍｏ　Ｉ　／　ｌにおいてモニタリングする正確な
方法が必要である。本発明の多重被検物質用の電流測定
型マイクロバイオセンサーは、これらの応用にも有用で
あると思われる。

小型に組立てられた装置はまた、臨床的または工業的に
重要な多くの基質を、それと相補性の酵素をセンサー電
極表面に固定化することにより、測定することが可能に
なる。

すなわち、たとえばＬ−アミノ酸、糖、カルボン酸、ス
テロイドおよび窒素異項環のような様々な物質に応答す
るある範囲のオキシダーゼを固定化することができた。

さらに、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ホス
フエート）（ＮＡＤ）（Ｐ）一依存性オキシドリダクタ
ーゼ、ピロロキノリンキノン（ＰＱＱ）、テトラピロー
ルおよび金属含有タンパク質に基づく他のレドックス系
がとくにレドックスタンパク質と電極の間の電子交換を
促進するために適当なレドックスメジエーターと組合せ
て利用することができた。同様に、この微小装置は、検
定が可能な被検物質の範囲を広げるために、単一酵素以
外の生物学的認識システムと接合して使用することもで
きる。すなわち、たとえば多重酵素連鎖、細胞下オルガ
ネラ、全微生物もしくは他の細胞、免疫電流滴定酵素系
および受容体タンパク質もセンサーに接近させて固定化
することができた。さらに、この装置の応用は臨床的診
断に限定されるものではない。微小電流測定型センサー
は、発酵槽およびバイオリアクターのバイオプロセス制
御、獣医学的、農業的、園芸的分析、汚染物質および有
毒廃棄物の監視、ならびに安全領域に適用が見出される
。

ある観点では、本願出願は係属中の特許出願第ＧＢ２２
０４４０８Ａ号に記載された発明の改良と考えることが
できる。この公開された出願には、電気絶縁材料の表面
上に支持された実質的に平行な１対の電気伝導体からな
り、その上に固定化試剤材料が広げられ、試剤材料を被
検物質に曝露した場合の被検物質／試剤の電気的または
熱的特性の変動が測定されるバイオセンサーが開示され
ている。

本発明は、酵素触媒の反応特異的性質を完全に利用する
ことを可能にしたバイオセンサーの提供を意図するもの
である。

本発明は、シリコン基板上電気絶縁材料の表面に間隔を
置いて支持された２対の電極からなり、上記電極対の一
方は活性生物触媒を導入する固定化試剤材料の本体を包
含し、その本体はこの電極対の電極の間に配置されて作
動電極構造を構戒するバイオセンサー装置を提供する。

支持体表面にはさらに、参照電極構造を構成する第三の
電極対を設けることが好ましい。第二の電極対も固定化
試剤材料の本体を包含してもよい。

別の態様においては、第二の電極対は第二の活性生物触
媒を導入する固定化試剤材料の本体を包含する。

支持体表面にはさらに上記の１つの電極対の場合よりも
大きな表面積を有するもう１個の電極が設置され、この
もう１つの電極は対極構造を形成してもよい。

電極は集積回路組立技術により薄いフィルム層として形
成することができる。

電極は、金または白金のような貴金属から形成すること
ができる。

本発明はまた、集積参照電極を形成するための材料を電
気分解法によって付着させる、バイオセンサー装置の製
造方法を包含する。生物触媒材料は電気分解法によって
付着させることができる。

生物触媒の付着は、ポリマー支持フィルムの付着と同時
に行うことが好ましい。生物触媒を付着させる表面は最
初に、窓を設けた電気非伝導性材料でマスクして、付着
が基板の選ばれた部分だけに起こるようにする。第一の
生物触媒材料の付着後に、基板を再びマスクしてマスク
層に第二の窓を形成させ、第二の窓は基板の異なる部分
への第二の生物触媒の付着に使用することもできる。

例として、本発明の特定の態様を、以下に添付図面を参
照しながら説明する。

第１図は、電気絶縁材料の基板上に１つのパターンで電
気伝導体が配列されているバイオセンサー装置を示す。

第２図は、そのバイオセンサー装置の構築に必要な過程
段階をやや模式的に例示するフローチャートである。

第３図、第４図および第５図は、そのセンサーで行われ
た濃度測定を例示するグラフである。

本発明のバイオセンサー装置の構築はシリコン片上にあ
るパターンの電気伝導体を組立てることにより始まり、
これは上述の係属中の特許出願に開示された方法にほぼ
従って行われる。

第１図に示されるように、バイオセンサー１は、大きさ
２．５ｍｍ平方のシリコン片２からなり、それが様々な
電極面積を支持する二酸化ケイ素表面層を与える。第■
図の態様においては、図面の上半分には２個のパターン
が設けられ、それぞれが畳まれた電極３構造を有し、そ
の末端はシリコン片の周辺に配置された電極接触パッド
に連結される。

２個の畳まれた電極３パターンはそれぞれ、シリコン片
上の他の電極面積と比べて比較的大きな表面積を有する
。それらは別個に用いられるかまたは互いに直列に連結
して企図された電気化学電池に対する対極構造を形成さ
せて使用することができる。

図面の下半分には３個の電極対６構造が示されているが
、中央の対は全体として水平方向に、外側の２個の対は
垂直方向に配置されている。電極対６構造の末端はシリ
コン片の縁に近く配列された接触パッド４に連結される
。

２個の外側の電極対は電池の検知または作動電極を形成
するのに使用し、一方、内側の電極対は電池の参照電極
の形戊に使用することを意図するものである。バイオセ
ンサー装置１の電極は、シリコン片２の縁部における接
触パッド４に適当な連結装置を付着させることによって
、電気化学的測定のための他の回路に容易に接続するこ
とができる。

バイオセンサー装置の構築は、様々な処理段階を経たシ
リコンウエーファーの準備に始まり、これは一般的に、
半導体装置の生産に従事している者にはよく知られてい
る。

第一の工程はウエーファ一材料の表面熱酸化で、これに
よりシリコンウエーファ−８上に厚さ５５Ｑｎｍの二酸
化ケイ素層７が生成する（第２Ａ図）。

次に、スパッタリング付着および電子ビーム蒸発によっ
て金属処理を行い、順次、厚さ１００ｎｍのチタン９（
この層には別の金属としてクロミウムも使用できる）、
厚さ１００ｎｍの白金１１および厚さ１０００〜３　３
　０　０　ｎｍの金１２のフィルムが施される（第２Ｂ
図）。

リフトオフ写真製版の過程の実行を可能にするためには
、金属処理ウエーファーを防食材料で被覆する必要があ
った。これは金属処理ウエーファーを熱板上９０℃で３
分間プレベイキングすることによって行った。次に陽性
レジストＡ　Ｚ　４　１　１Ｑ　（ｌｌｏｅｃｈｓｔ，
ＦＲ　Ｇｅｒｍａｎｙ）をウエーファ−上に広げ、これ
を回転盤上４　０　０　０　ｒｐｍで３０秒間回転させ
た。付着したレジストを熱板上９０’Ｃで２分間焼き、
ついで写真調整装置内において強度９００Ｊｍ２の紫外
線を照射した。露出時間は１０秒のオーダーとした。照
射層を持つ基板を次にクロロベンゼン中に２８°〜３０
℃で２分間浸し、風乾した。この層を、“Ｍｉｃｒｏｐ
ｏｓＮ”現像液（Ｈｏｅｃｈｓｌ，　ＦＲ　ＧＰｒｍａ
ｎ７）の水１：１希釈液中で現像し、現像時間は６０秒
とした。現像層をもつ得られた基板を水中で注意深くす
すぎ、風乾した。得られたレジスト材料１３層の厚さは
１１００ｎ＋ｎで、写真過程で決定されていた位置に窓
開口部が与えられた（第２Ｃ図）。レジスト材料のこれ
ら開口部縁はオーバーハング縁部をもつように示されて
いるが、これらの領域の特定の形状は予め、レジスト材
料の選択および露出／現像時間によって決定された。

このオーバーハング構造を有するレジストステンシルは
、次の工程で要求される不要の金属処理レジスト材料の
りフトオフまたはフロートオフ除去に必要である。

さらに金属処理が行われ、この過程では銀の熱蒸発によ
り、全レジスト層および窓構造に銀層１４が４００〜１
０００ｎｍの厚さに付着された（第２Ｄ図）。

次にレジストをアセトン中に溶解させて除去する。この
過程では、金属処理ウエーファ一表面の前に保護されて
いなかった部分上のみの銀のストリップが残る（第２Ｅ
図）。

次に、湿式化学食刻の過程の実施が必要であった。これ
はまず、金属処理ウエーファ一上にＭＰＴＳ　（３−メ
ルカプトートリメトキシーシラン）液体を広げ、これを
回転盤上５　０　０　０　ｒｐｍで４０秒間回転するこ
とによって行った。この液体には表面付着の促進作用が
ある。次に、陽性レジスト材料Ａ　Ｚ　４　０　４　０
　（Ｈｏｅｃｈｓｔ，　ＦＲ　Ｇｅ＋ｎ＋ａｎ７）をウ
エーファ一上に広げ、これを３　０　０　０　＋ｐｍで
６０秒間回転させた。ついで、ウエーファ゛一を熱板上
９０℃で２分間プレベイキングに付した。次に、写真調
整装置内で、強度７２０Ｊｍ　”の紫外線に露出した。

露出時間は約８〜１０秒とした。得られた層を次にＫ４
００−ＡＺ現像液（Ｈｏｅｃｈｓｌ，　ＦＲＧＨｍａＢ
　）の↓：４水希釈液中で現像した。現像時間は４０秒
とした。得られたレジスト材料層を次に熱板上９０℃で
２分間後焼きした。これにより全体的に５００ｎｍの厚
さのレジスト材料層１６を与えた（第２Ｆ図）。図に示
すように、レジスト層は付着した銀層１４ストリップの
側部にまで広がり、ストリップの上面を一部覆っている
ことに注意すべきである。

次に銀の湿式化学食刻を実施することができ、これは硝
酸第二鉄溶液食刻剤を用いて行った。ついでレジスト材
料はアセトン中で溶解させて除去した（第２Ｇ図）。

銀をウエーファーの金表面と電気的に接続させ、これを
１Ｍ塩酸溶液中に浸漬することにより、銀上に塩化銀の
付着を次に形成させた。次に、参照電極パターンあたり
１０マイクロアンペア／秒の一定電流を、パターンあた
り４ミリクーロンの負荷に達するまで適用した。これに
より、銀表面に薄いフィルム形状の塩化銀の付着が生戊
した。

次に、乾燥食刻過程の実施が必要であった。これは、ま
ず金属処理ウエーファ一上にＭＰＴＳ液体を広げ、４０
００ｔｐｍで６０秒間回転させるこにより実施した。つ
いで陽性レジスト材料ＡＺ４３　３　０　（Ｈｏｅｃｈ
ｓｊ　ＦＲ　Ｇｅ＋ｍｘｎ７）をウエーファ一上に広げ
、これを３　０　０　０　ｒｐｍで６０秒間回転させた
。ついで、ウエーファーを熱板上９０℃で５分間プレベ
イキングした。次に、写真調整装置中、強度２２５０−
Ｊｍ２の紫外線を照射した。露出時間は約２３〜２４秒
とした。露出層をＫ４００−Ａｚを現像液の１＝３水希
釈液中で６０秒間現像した。

生成したレジスト層を次に熱板上９０゜Ｃでｌ５分間後
焼きした。次に、熱板上１１０℃で５分間フローベイキ
ングを行った。この段階では、レジストパターンは丸味
をおよびた縁部をもって現像され、この特徴は一様に食
刻された金属パターンを得るために有用と考えられた。

生成したレジスト材料１７層の厚さは約３５００ｎｍで
あった（第２Ｈ図）。

次に、不要の金、白金およびチタン部分を食刻除去する
ために、イオンビーム加工を実施した。

その結果、金属処理領域はすべて、電気的に絶縁された
二酸化ケイ素上に別個の電極領域として与えられた（第
２Ｉ図）。

図に示したように、Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極として働く
ことができる電極１８は、作動電極として働く２個の電
極領域１９の間に配置されている。

シリコンウエーファ−８が個々の半導体チップに切断さ
れると、各チップはバイオセンサー装置構築のためのベ
ースが形成される。第２１図に示されたウエーファーの
部分は、それぞれ３個の電極を有する２個のバイオセン
サー装置を形成するように切断できることが明らかであ
る。

バイオセンサー装置の構築に必要な段階の上述の説明に
おいては、チップ表面上に作動及び参照電極に並んで配
置される対極構造の形成には触れていない。しかしなが
ら、対極がより小さな電極に必要な段階と全く同し処理
段階によって形成できること、また適当な写真マスクで
機械的問題を生じることなくこれらの別の電極を製造で
きることは明白であろう。

この過程には一部の変法が考えられている。これらは銀
層１４の処理に関するものである。これらの変法は次の
通りである。

（ａ）塩化銀の被覆はイオンビーム加工段階後に形成さ
せることができる。被覆は、銀電極と電気的に接続させ
ることにより、電気分解的に形成できる。

（ｂ）銀は、Ｓｅｎｉｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏ
ｒｓ，　９　（１　９　８６）１７９　〜１９７にＬ，
　Ｉ，　Ｂｏｕｓｓｅ，　Ｐ．　Ｂａｒｇｖｅｌｄ　＆
Ｈ．ノ，　Ｍ．　Ｇｅｅｒａｅｄｌｇによって報告され
ているように、新たに調整したＫ　Ｃ　ｒ　Ｏ　３　Ｃ
　ｌ溶液（濃度８ｇ／ｌ）で処理することにより１０ｎ
ｍ／分で塩化銀に変換することができる。

（ｃ）銀は、３％銀メッキ溶液（　Ｓｉｌｖｅｒ　Ｓａ
ｌｔＳ　３　０，　Ｉｏｈｎ　Ｍａｌｌｈｅ７　Ｃｏｍ
ｐａｎ７）から金電極の対上に電気化学的に付着させる
ことかできる。これを行うには、電極を１マイクロアン
ペア／秒の速度で、総負荷が７ミリクーＯンに達するま
で、定電流メッキした。生成した電極は、光輝ある銀の
外観を示した。銀メッキ電極は蒸留水で洗浄し、ＩＭ塩
酸溶液中に置いて塩化銀、ＡｇＣ　ｌに電気分解変換を
行った。塩化銀は、１０マイクロアンペアの定電流によ
り、総電荷４ミリクーロンを通過させると形威された。

暗褐色の付着が電極表面に観察された。調製されたＡｇ
／ＡｇＣＩ電極を、リン酸カリウム緩衝液中９Ｈ値７で
、標準Ａｇ／ＡｇＣｌ対照電極に対して検定すると、最
大電位差３ｍＶを示した。これは、本発明の微小組立て
対照電極が標準Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極から期待できる
出力に匹敵する出力を示すことを確認するものであった
。

バイオセンサー装置構築の次の工程は、要求される酵素
触媒材料の装置への固定化に関するものである。

酵素電極の製造 電極表面への酵素の固定化は、電気伝導性ポリピロール
フィルム中への酵素材料の捕集によって行われた。

例１．「滑らか」に仕上げられた金電極表面へのグルコ
ースオキシダーの固定化。半導体シリコンウエーファー
の「滑らか」な側がウェーファ一製造業者によって半導
体装置の構築への使用が期待されている側と定められて
いる。したがって、この表面は清浄化され、磨かれてい
て、装置の構築の妨害になると考えられる孔や凹凸がな
い。ウ工一ファーには通常、引き抜き加工したプールを
切断して必要な・ウエーファーを形成させたのち、ウエ
ーファ一製造業者によって未処理の状態で残されている
第二の側部がある。この第二の側部をウエーファーの「
粗い」側と呼ぶことにする。この粗い側は通常、半導体
装置の構築に使用するとは考えられていない。しかしな
がら、バイオセンサー装置の構築では、ウエーファーの
「粗い」側にその装置を形成させる方が有利な場合もあ
ることが明らかにされた。この効果を例示するため、こ
れらの例では、「滑らか」及び「粗い」仕上げのウエー
ファーの両側面を使用する。

本例は、「滑らか」なウエーファ一面への酵素の付着に
関する。酵素の固定化は、０．１Ｍ過クロル酸カリウム
およびＯ．ＬＭピロール（＾ｌｄ＋ｉｃｈ　Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌ　Ｃｏ．，　　１回再蒸留）を含有するＯ．ＩＭ
リン酸緩衝液、ｐＨ７の脱酸素溶液に、１ｃｍ３あたり
１００ＵのＧＯＤ　（Ａｓｐｅ＋ｇｉｌｌｕｓｎｉｇｅ
ｒからの■型、Ｓｉｇｍａ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｃｏ．
）を添加して行った。装置をこの重合メジウムに浸漬し
、作動電極対のひとつをＡｇ／ＡｇＣ１参照電極に対し
て０．８Ｖの定電圧に２時間保持すると、その電極に酵
素フィルムの成長が起こった。フィルム成長時に通過し
た総電荷は約２５０マイクロクーロンであった。生成し
た酵素電極を蒸留水で洗浄し、ついでリン酸緩衝液中４
℃の温度で、使用前少なくとも１日保存した。

例２，「粗い」仕上げの金電極表面へのグルコースオキ
シダーゼの固定化。この構築では、ウ工一ファーの「粗
い」側面を、金属処理および他の組立て過程段階で選択
した。例１の場合と同じ操作を使用した。

例３．白金電極へのグルコースオキシダーゼの固定化。

白金電極の製造では、金属厚約５００ｎｍが要求された
。これを製造するためには、三層の金属被覆Ｔ　ｉ　／
　Ｐ　ｔ　／　Ａ　ｕからなる金属パターンの最上部表
面から、金を、乾式または別法として湿式食刻方で除去
した。これは、シリコン表面と金属接続パッドを保護し
、蛇行する金属パターンのみを露出させる適当な写真製
版マスクを用いることにより達成された。白金を得る写
真製版過程はついで、上述の係属中の特許出願に説明さ
れているように実施した。

白金電極を使用するためには、例１の場合と同じプロト
コールに従った。

例４．グルコースオキシダーゼ（Ｃ　Ｏ　Ｄ）の作動電
極の一方の対へおよびガラクトースオキシダーゼ（Ｇ　
ａ　Ｏ）の作動電極の他方の対への固定化。

ＣＯＤは電極の一方の対へポリピロールと一緒に付着さ
せ、ついで装置を蒸留水で洗浄し、作動電極の他方の対
にピロール中第二の酵素ＧａＯを固定化した。

次に、一連の電気化学的実験を、ＥＧ　＆　ＧＰ＋ｉｎ
ｃｅｌｏｎ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｒｅｓｅｒｃｈ　Ｐｏｔ
ｅｎｔｉｏ＋ｌａｌ／Ｇａｌｖａｎｏｓｔａｊ　２　７
　３型にＩＪ　Ｉｎｓｔ『ｕｍｅｎｔｓ　Ｃ　Ｒ　３０
０チャート記録計を接続させて使用して実施した。試験
用のバイオセンサーセルはＴＯ５ヘツダーパッケージま
たは別法として半導体装置のパッケージングに用いられ
るセラミックチップ担体に装着した。バイオセンサーセ
ル（ＴＯ５ヘッダーパッケージに装着）は、Ｉｕｌａｂ
ｏ　　Ｆ　１　０過熱／循環水浴に連結したガラスの水
外套を用いて温度を２５±０．１℃の恒温とした。別の
系では、バイオセンサーチップをセラミックチップ担体
に装置した場合には、担体の下に直接密接させて配置し
た適当なＰｅｔｔｉｅｒ蓄熱ヒーター／クーラーで加熱
し、これを断熱箱中に含まれる特製のスナップ式のエッ
ヂ接触ソケットホルダーに適合させた。このソケットホ
ルダーは、外部で共軸接続させるために箱の外側に設け
た小型ＢＮＣソケットに接続させる。チップの温度はチ
ップに近接して配置したサーミスターと外部温度制御ユ
ニットを用いて、２５度と±０．１℃に制御する。

検知または作動電極と参照電極（Ａｇ／ＡｇＣｌ）の間
の電位は既定の、通常は時間でプログラムに作ることが
できる値に、ボテンシオスタットを用いて制御できる。

この装置による制御は、実験時に電気化学セルに生じる
ことがあるインピーダンスの変化とは無関係に達或する
ことができる。

検知また作動電極と対極との間の出力定常電流はチャー
ト記録計に記録される。この測定法を熟知する者には、
この三電極系は参照電極における分極効果の発生を防止
できることが明．らかであろう。

酵素電極の、その相当する生物学的基質たとえば糖の検
定用電流滴定センサーとしての操作グルコース応答は、
Ａｇ／ＡｇＣ１参照電極に対して０．７ｖで釣合ってい
る作動電極で、過酸化水素の酸化をモニタリングするこ
により測定した。バックグラン下電流レベルは、保存グ
ルコース溶液の一部を添加する前に、定常状態に減衰さ
せた。グルコースの緩衝液中保存溶液は予め、高純度の
β−Ｄ−グルコース（　（Ｂａｎｉｓｈ　ＤｒｕｇＨｏ
ｕｓｅ）原料から調製した。グルコースの添加後、溶液
を電磁撹拌器で撹拌し、ついで非活動溶液中の電流通過
を記録した。急速な電流の増加が観察され、３０秒以内
に定常電流に到達した。上述の方法は、センサー（端部
が開口したＴＯ５パッケージに含有）を試験溶液に浸し
たときに採用される。センサーをセラミックチップに装
着し、ｆ’ｓｌｔｉｅｒ蓄熱装置で過熱／冷却したとき
は、試験溶液（糖溶液）はチップに水滴として適用し、
溶液の撹拌は必要ない。しかしながら、この場合、緩衝
液中でセンサーチップを予め分極させることが、迅速な
電気応答を得るため必要になる。

ガラクトースオキシダーゼ電極でのガラクトースの検定
も同様に、Ａｇ／ＡｇＣｌ対照電極に対して０，７ｖに
釣合わせた電極で、ある範囲のグルコース濃度に対する
定常電流応答を測定することにより実施された。

第３図は、ポリピロール／グルコースオキシダーゼ修飾
金電極（例１および２）でのグルコースの応答曲線を示
すグラフである。グラフは横軸にグルコース濃度（ＳＣ
）をミリモルで示し、ナノアンペア単位で測定した定常
状態での電流（１）に対するものである。グラには「滑
らか」　（曲線Ａ）および「粗い」　（曲線Ｂ）仕上げ
の金電極の両者を用いて得られた曲線が示されている。

「粗い」金電極で観察された大きな電流応答は、電極材
料の電気化学的表面積の増大の結果として電気シグナル
の壜幅が生じたことを示している。

第４図は、ポリピロール／グルコースオキシダーゼ修飾
白金電極（例３）でのグルコースの応答曲線を示すグラ
フである。グラフは横軸にグルコース濃度（Ｓ　Ｃ）を
ミリモルで示し、ナノアンペア単位で測定した定常状態
での電流（Ｉ）に対するものである。グルコース濃度が
約３０ミリモルまでは、白金電極は第３図の金電極にお
ける場合より、実質的に大きな電流を与えることが明ら
かである。

第５図は、各酵素基質、すなわち糖に対する二重酵素セ
ンサー装置（例４）の応答曲線を示す別のグラフである
。グラフは横軸に糖濃度（Ｓ　Ｃ）をミリモルで示し、
ナノアンペア単位で測定した定常状態での電流（１）に
対するものである。二重酵素センサーでは、グルコース
（曲線Ｃ）に対する応答曲線をガラクトース（曲線Ｄ）
に対する応答曲線と同時にプロットすることが可能であ
る。

このセンサーの使用は、第二の糖の存在下に、これらの
糖の一方を検出することができる。

バイオセンサー装置の使用に際しての便宜上、シリコン
チップ２は半導体装置用に設計された通常のパッケージ
のひとつ、例えばＴＯ５ヘツダーパッケージまたはセラ
ミックチップ担体に装着させることができる。

本発明のバイオセンサー装置のひとつの利点は、参照電
極を作動電極と共通のチップ上に作りつけにできること
である。これにより検出過程に必要な電位差をかなり低
い値、たとえばグルコースおよびガラクトース検出の場
合、０．７ボルトに維持することができる。この結果、
電気干渉の可能性を低下させ、混合物中の単一成分の分
析を容易にする。試験サンプル中に他の種が存在すると
、これらの他の種が、化学反応をたとえば０．　　７ボ
ルト以上の範囲たとえば１．１ボルトで行うと、干渉す
る可能性が出てくる。したがって、この効果を起こるま
まにするとバイオセンサー装置の分析感度をかなり低下
させるものと思われる。

本明細書において生物触媒という場合、この物質はたと
えば、酵素、抗体、抗原または生存細胞であることは明
らかであろう。

本発明の態様の上述の記述は単に例示の目的で示したも
のであり、特許請求の範囲に定義した本発明の範囲から
逸脱することなく、多くの改変が可能である。例えば、
バイオセンサーが特定の例に記載したようなきわめて小
型の寸法に製造されることは必須ではない。別の態様で
は、装置をもっと大きいサイズに作ることもできる。こ
れは、共通の基板上にある範囲の異なる酵素触媒を支持
しなければならない場合に必要であろう。

電極領域は、このタイプの装置に対する電気化学的要求
によって指図されているように、検知電極領域が対極領
域の場合よりも小さくなる限り、任意の適当な形状とす
ることができる。本発明は実際には、必要に応じて別個
に使用できる２個の大きな対極構造が設けられている。

すなわち、この構成により、２つの別個に単離されたバ
イオセンサー装置を、作りつけの参照電極とともに、独
立に共通の基板上で使用することを可能にしている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のバイオセンサー装置の一例の平面図
である。 第２Ａ図〜第２１図は本発明のバイオセンサー装置の構
築に必要な段階を模式的に例示するフローチャートであ
。 第３図、第４図および第５図は、本発明のバイオセンサ
ー装置を用いて行われた測定の結果を示すグラフである
。 ←−→

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン基板上電気絶縁材料の表面に間隔を置い
   て支持された２対の電極からなり、上記電極対の一方は
   活性生物触媒を導入する固定化試剤材料の本体を包含し
   、その本体はこの電極対の電極の間に配置されて作動電
   極構造を構成するバイオセンサー装置。
2. （２）支持表面にはさらに参照電極構造を構成する第三
   の電極対が設けられた請求項（１）記載の装置。
3. （３）第二の電極対も固定化試剤材料の本体を包含する
   請求項（１）または（２）に記載の装置。
4. （４）第二の電極対は第二の活性生物触媒を導入する固
   定化試剤材料の本体を包含する請求項（１）または（２
   ）に記載の装置。
5. （５）支持表面にはさらに上記の１つの電極対の場合よ
   りも大きな表面積を有するもう１個の電極が設置され、
   このもう１つの電極は対極構造を形成する請求項（１）
   〜（４）のいずれかに記載の装置。
6. （６）電極は集積回路組立技術により薄いフィルム層と
   して形成される請求項（１）〜（５）のいずれかに記載
   の装置。
7. （７）電極は金または白金のような貴金属から形成され
   る請求項（１）〜（６）のいずれかに記載の装置。
8. （８）添付の第１図を参照して実質的に本明細書に記載
   したとおりのバイオセンサー装置。
9. （９）集積参照電極を形成するための材料を電気分解法
   によって付着させる請求項（１）〜（８）のいずれかに
   記載のバイオセンサー装置の製造方法。
10. （１０）生物触媒材料を電気分解法によって付着させる
    請求項（１）〜（８）のいずれかに記載のバイオセンサ
    ー装置の製造方法。
11. （１１）生物触媒の付着はポリマー支持フィルムの付着
    と同時に行う請求項（９）記載の方法。
12. （１２）生物触媒材料を付着させる表面は最初に、窓を
    設けた電気非伝導性材料でマスクして、付着が基板の選
    ばれた部分だけに起こるようにする請求項（９）または
    （１０）に記載の方法。
13. （１３）第一の生物触媒材料の付着後に、基板を再びマ
    スクしてマスク層に第二の窓を形成させ、第二の窓は基
    板の異なる部分への第二の生物触媒の付着に使用される
    請求項（１２）記載の方法。