JPH0326345B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はゲート絶縁型電界効果トランジスタ構
造を有するイオンセンサーを利用した免疫濃度測
定装置に関するものである。

生体の免疫反応は非常に選択性及び感度の高い
ことが特徴であり、このことを利用して、様々な
ホルモン、蛋白質、ビタミン等の生体物質の分析
が行なわれている。このような免疫的分析方法
（イムノアツセイ）としては沈降反応、補体結合
反応、赤血球疑集阻止反応、イミノラテツクスに
よる方法、ラジオイミノアツセイ、酵素イミノア
ツセイ、螢光イミノアツセイ、免疫センサー等
様々な方法があるが、この中で免疫センサーによ
る方法はもつとも操作が簡単でかつ判定の容易な
方法として期待されている。最近開発された興味
ある免疫センサーとしてゲート絶縁型電界効果ト
ランジスタ構造を有するイオンセンサーを利用し
たものが特開昭51−139289号公報に開示されてい
る。この免疫センサーは電界効果トランジスター
の原理を利用したものであり、半導体のゲート表
面に酸化シリコン等の電気絶縁材料を被覆し、こ
の材料の表面に塩化ポリビニルまたはポリスチレ
ン等の疎水性有機高分子膜からなる膜を溶液流し
込みによつて付着させる。この膜に反応性基を有
する脂肪族化合物を含有分散させ、これを介して
抗原または抗体等を膜に結合させる。

かゝる装置は抗原（または抗体）を含有分散し
た膜と相互作用する抗体（または抗原を含む溶液
に露出されるとき、比較電極（液絡式）が正しく
バイアスされたときは、溶液中の抗体（または抗
原）は膜に含有された抗原（または抗体）と相互
作用して膜と溶液との間に電位差を生じさせる。
これは伝導チヤンネル中に電界を生じさせ、溶液
中の濃度によつて左右される電界の強さは伝導チ
ヤンネルを通る電流の大きさを制御し、これはド
レイン電流の変化として電流計によつて測定され
溶液中の抗体（または抗原）濃度を測定するもの
である。

しかしながら、このセンサーを溶液中に入れる
と、ゲート表面に被覆した疎水性高分子膜へ抗
原、抗体以外の蛋白が吸着してセンサー自体のド
リフト、ノイズ等が大きくなるため、抗原、抗体
反応による非常に小さなシグナルをこれらのノイ
ズの中より取り出すことが極めて困難であつた。

本発明者らは免疫反応に起因する上記シグナル
を確実に取り出すことのできる実用的な装置を提
供するため従来装置の問題点について検討したと
ころ、従来装置の重大な問題点はゲート表面に抗
原（または抗体）を固定化した疎水性高分子膜を
被覆した免疫センサーのゲート表面には抗原、抗
体以外の蛋白が良く吸着するが通常の液絡式比較
電極の電極表面には蛋白が全く吸着しないため、
この装置での測定結果は免疫反応によるシグナル
の他に他のシグナルを包含した測定値が得られて
いると推定し、更に鋭意検討した結果本発明に到
達したものである。すなわち本発明はゲート絶縁
型電界効果トランジスタ構造を有するイオンセン
サーのゲート表面にイオン感応層を生じない疎水
性有機高分子膜を被覆した、被検液中のイオン活
量には応答せず、被検液電位にのみ応答する特性
を有する比較電極と、上記ゲート絶縁型電界効果
トランジスタ構造を有するイオンセンサーと同一
構造のイオンセンサーであつて、該イオンセンサ
ーのゲート表面に被覆した疎水性有機高分子膜に
抗原または抗体を固定した免疫センサーおよび導
電性バイアス用の疑似比較電極を備えた免疫濃度
測定装置である。

本発明はゲート表面に疎水性有機高分子膜を被
覆した比較電極と、抗原もしくは抗体を固定化し
た疎水性有機高分子膜をゲート表面に被覆した免
疫センサーを組合せることにより、これらの２つ
のセンサーのゲート表面への蛋白吸着や、温度に
よるセンサーのドリフトや誘導によるノイズを両
方のセンサーとも同じように受けさせることがで
きる。そのため本発明装置では比較電極と免疫セ
ンサーの出力電位の差をとることにより、安定し
た測定が可能となり、非常に小さなシグナルを測
定することが出来るようになつたのである。

本発明の比較電極は特開昭54−81897号や同54
−128791号に開示されているもので、この電極の
ゲート絶縁膜は、通常酸化シリコン又は窒化シリ
コンで形成されている。なかでも好ましいのは、
酸化シリコン膜の上層にさらに窒化シリコン膜を
形成した２層構造のものである。ゲート表面上に
形成される有機高分子膜は、ゲート表面に被検液
を接触させることがない程度に、水不透過性でな
ければならない。一般的に、疎水性の膜は水不透
過性である。このような膜を具えた電極は、測定
溶液中のイオンには感応しない。有機化合物とは
炭素含有化合物全てを包含し、高分子化合物とは
少なくとも重合度100以上の膜形成能を有する程
度に高分子量を有するものを意味する。被覆され
た膜には架橋が導入されてもよいので、分子量の
上限はない。疎水性有機高分子は、上述の範囲内
にあるものであれば、いずれのものも用いられ
る。なかでもポリエチレン，ポリプロピレン等の
ポリオレフイン，ポリ塩化ビニル，テトラフルオ
ロエチレン，ポリ弗化ビニリデン等のハロゲン化
ポリオレフイン，ポリイソプレン，ポリブタジエ
ン，ポリシロキサン等の合成ゴム，ポリアミド，
ポリエステル，ポリスチレン，アクリル樹脂等を
用いることが好ましい。上述の種々の疎水性高分
子が膜形成材料として用いられるが、COOH，
NH₂，OH基等の解離性基をもつモノマーからな
る高分子は親水性となり用いることはできない。

この高分子膜は、電極の安定性に影響を与える
ようなピンホールの無いもの言い換えれば非多孔
性のものでなければらない。膜が厚くなると、誘
導電流が発生して測定値に影響を与え、また出力
変化に対する安定性が次第に悪くなるため膜は出
来るだけ薄い方が好ましく通常1μ以下である。
この安定性の低下は膜の誘電率や導電率により異
なり、これらの高いもの程安定性の低下は小さい
が、普通の低誘電率，絶縁性のポリマーでも0.3μ
程度の厚さまではよい安定性を示す。

ゲート部表面に高分子膜を形成させる方法とし
ては、 (i) 疎水性有機高分子を適当な溶媒に溶解し、得
られた溶液をゲート部表面に塗布し、しかる後
溶媒を蒸発することにより形成させる方法。

(ii) 疎水性有機高分子を製造することができるモ
ノマー又は一部重合物を含有するモノマー溶液
をゲート部表面に適用し、ゲート部表面で重合
を行ない、高分子膜を形成させる方法が挙げら
れる。

上記(i)において用いられる高分子は、前述のモ
ノマーを公知の方法で重合して得られる高分子で
あれば、いずれでもよく、重合条件に制約はな
い。高分子の製膜性，誘電率，導電性等を改良す
るために皮膜に非イオン性の可塑剤，炭素等の添
加物が加えられてもよい。

上記(ii)において、高分子膜をプラズマ重合，紫
外線重合又は放射線重合により形成するのが好ま
しい。これらの重合も常法の重合技術により実施
される。

比較電極において、高分子膜は少なくともゲー
ト部分に形成されていることが必要であるが、好
ましくは半導体全面を被覆することである。全面
を被覆する方が、製造が容易で、かつ絶縁破壊の
恐れがないため好ましい。

免疫センサーは上記ゲート絶縁型電界効果トラ
ンジスタ構造のイオンセンサーのゲート表面に抗
原（または抗体）を固定化した疎水性有機高分子
膜を被覆したものである。したがつて免疫センサ
ーのゲート表面に被覆する疎水性高分子は抗体を
固定化するためのCl，Br，OH，NH₂，COOH
等の基を表面に有していることが好ましい。

このような疎水性高分子膜に抗体を固定化する
方法は既に知られている様々な方法を用いること
が出来る。例えば疎水性高分子膜を被覆したイオ
ンセンサーを、抗原もしくは抗体溶液の中に浸漬
しておくだけで、抗原もしくは抗体を吸着し、固
定化される。また紫外線重合によりアクロロメチ
ルスチレンをイオンセンサのゲート面に重合させ
た後、クロロメチルスチレンと抗原もしくは抗体
のアミノ酸のカルボキシル基もしくはアミノ基と
を脱塩酸反応により結合させたり、高周波スパツ
タリングによりゲート面に生成したポリテトラク
ロロエチレン薄面はアンモニアガスプラズマによ
り容易に表面にアミノ基が生成するので、このア
ミノ基と抗体（抗原）中のアミノ酸をジアゾ法に
より結合させることもできる。上記免疫センサー
は特開昭53−149394号，同54−161992号及び同55
−10546号などに開示されている。

本発明に用いる比較電極及び免疫センサーはゲ
ート絶縁型電極であるから、別に導電性バイアス
用の疑似比較電極を用いることが必要であり、こ
れにより溶液の電位を固定し、これを基準にして
センサーと比較電極の出力電圧の差を検出する。
検出には、差動増巾器を用いる。疑似電極として
は、良導体のものであればいずれでもよく、適当
な金属（金，銀，白金など），黒鉛等を用いるこ
とができる。この場合、電極が被検液に接触する
ように構成されておれば、疑似比較電極の形状に
制約はなく、また、比較電極のように電位が安定
している必要もない。したがつて、このものの作
製は容易である。その一例としてイオンセンサー
の支持体を金属にすれば、その支持体が疑似比較
電極となる。

本発明装置により被検液中の免疫濃度を測定す
る電気回路は通常第１図に示す回路路が用いられ
る。

すなわち、Ａは抗体（抗原）を固定化した疎水
性高分子膜を有する免疫センサーであり、Ｂは疎
水性高分子膜をゲート部に有する比較電極であ
る。Ｅは擬似比較電極であり、免疫センサーと比
較電極と共に被検液の中に浸漬にされる。Ｃ及び
C′はＡ、及びＢの電流を一定に保つ定電流回路で
あり、V_Dはドレイン電圧である。ＤはＡ及びＢ
のソース電位の差を測定するための電圧計であ
る。

この回路はソースフオロワー回路であるが、こ
の他にソース電位を一定として、ドレインに流れ
る電流の差を測定してもよい。

上記回路は抗体（抗原）を固定化した免疫セン
サーと固定化していない比較電極の出力の差をと
り、抗原抗体反応以外の要素を相殺するものであ
るから、その原理上、Ａ、Ｂ二つのイオンセンサ
ーの特性及び高分子膜の性質例えば化学的構造，
厚み等は出来るだけ一致していることが好まし
い。またドレイン電圧，ドレイン電流等も同一条
件で測定することが好ましい。

以上のように本発明は免疫反応性のみの異なる
二つの疎水性高分子膜をゲート部に有する二つの
イオンセンサーを組合せることにより、非常に小
さな免疫反応による電位の変化を測定することが
可能となつたのであり、その実用的意義は極めて
大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置を使用する測定回路の一例
である。 Ａ……免疫センサー、Ｂ……比較電極、Ｅ……
擬似比較電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ゲート絶縁型電界効果トランジスタ構造を有
   するイオンセンサーのゲート表面にイオン感応層
   を生じない疎水性有機高分子膜を被覆した、被検
   液中のイオン活量には応答せず、被検液電位にの
   み応答する特性を有する比較電極と、上記ゲート
   絶縁型電界効果トランジスタ構造を有するイオン
   センサーと同一構造のイオンセンサーであつて、
   該イオンセンサーのゲート表面に被覆した疎水性
   有機高分子膜に抗原または抗体を固定した免疫セ
   ンサーおよび導電性バイアス用の疑似比較電極を
   備えた免疫濃度測定装置。