JPH0365866B2 - - Google Patents

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JPH0365866B2
JPH0365866B2 JP58147593A JP14759383A JPH0365866B2 JP H0365866 B2 JPH0365866 B2 JP H0365866B2 JP 58147593 A JP58147593 A JP 58147593A JP 14759383 A JP14759383 A JP 14759383A JP H0365866 B2 JPH0365866 B2 JP H0365866B2
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4145Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors

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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は小型の半導体素子上に複数個の酵素セ
ンサを設けたワンタツチマルチ酵素センサに関す
るものである。
〔従来技術〕
各種体液中の基質濃度の測定を目的としてこれ
まで種々の酵素センサが開発され、臨床医学的に
もその有用性が証明されつつある。例えばグルコ
ースセンサ、尿素センサ、尿酸センサ等がこの例
である。酵素センサは医学的応用に留まらず、環
境計測や工業計測制御用としても用いられること
が期待されている。
従来の酵素センサは、各種の電気化学的デバイ
ス、例えば過酸化水素電極、酸素電極、アンモニ
ア電極等を下地電極としてその感応面に各種の固
定化酵素膜を装着したもので、単一の基質に対し
て感応するものであつた。この従来の酵素センサ
は小型化が困難であることなどの欠点を有するた
めに、酵素センサの小型化の試みも行われてい
る。そのひとつとして、小型の半導体イオンセン
サである水素イオン感応性電界効果型トランジス
タ(PH−ISFET)と固定化酵素膜を組合せた酵
素センサが報告されている〔S・Caras等、
Anal、Chem.,52、1935(1980年)、宮原等、電
気通信学会技術研究報告CPM82−80)〕。
しかしながらこれらの酵素センサは、前者につ
いてはその下地電極の構造から小型化すること自
体が困難であり、さらにマルチ酵素センサとする
ことは極めて困難である。また、後者の半導体イ
オンセンサを下地電極とするものについても、用
いている固定化法からマルチ酵素センサとするこ
とは困難であるとなどの欠点があつた。
〔発明の概要〕
本発明は従来のものの欠点を除去するためにな
されたもので、複数の同一イオンに感応するイオ
ン感応性電界効果型トランジスタ(ISFET)を
有する半導体素子上の各ISFETのイオン感応面
に異なる固定化酵素膜を光感応性高分子を用いて
装着することによつて、1個の素子で複数の基質
に感応するマルチ酵素センサを提供することを目
的としている。
すなわち本発明は、複数個の同一イオンに感応
するイオン感応性電界効果型トランジスタのイオ
ン感応面それぞれに、異なる種類の固定化酵素膜
を光感応性高分子を用いてフオトリゾグラフイー
技術により必要な部分のみに装着したイオン感応
性電界効果型トランジスタと、上記固定化酵素膜
を装着しないイオン感応性電界効果型トランジス
タと、参照電極と、これら固定化酵素膜を装着し
たイオン感応性電界効果型トランジスタ、固定化
酵素膜を装着しないイオン感応性電界効果型トラ
ンジスタ及び参照電極を同一基板内に設ける基板
とを備えたことを特徴とするマルチ酵素センサで
ある。
このマルチ酵素センサは、独立の酵素センサと
して個別の基質に感応するものとして用いること
ができるとともに、個別の酵素センサからの出力
をセンサ外部もしくはセンサ素子上に設けられた
情報処理回路により総合的判断ができるインテリ
ジエントセンサとすることも可能なものである。
以下本発明のマルチ酵素センサを図に基づいて
説明する。
第1図は本発明によるマルチ酵素センサの下地
電極として用いた複数のPH−ISFETを有する半
導体素子の正面図で、1は基板である半導体素
子、2は(疑似)参照電極として用いる金などの
不活性金属の蒸着膜、3,5,7及び9はソー
ス、4,6,8及び10はドレインである。この
半導体素子1は、ソース3−ドレイン4からなる
PH−ISFET、同じく5,6からなるPH−ISFET、
7,8からなるPH−ISFET、9,10からなる
PH−ISFETの4個のPH−ISFETを有するもので
ある。この半導体素子は通常の電界効果型トラン
ジスタの製造法と類似の製造法によつて作られた
もので、4個のPH−ISFETは独立に水素イオン
濃度(PH)に応じた出力を与えるものである。
なお、ここで(疑似)参照電極として金属の蒸
着膜を用いた理由について述べる。PH−ISFET
素子を水溶液中で動作させるには、このPH−
ISFET素子の電位を水溶液に対して一定に保つ
必要があるため、参照電極を用いる必要がある。
このため、通常水溶液に対して安定な電位を示す
飽和かんこう電極や銀/塩化銀電極などがPH−
ISFET素子に対する参照電極として使用できる。
しかし、後述するように、本発明では1つのセン
シング対象化合物に対して2個の独立に作用する
PH−ISFETを使用し、その間の差動出力を酵素
センサの出力とするため、金や白金などの金属電
極例えば金属の蒸着膜を擬似参照電極として使用
できる。なぜなら、これらの金属電極の水溶液に
対する電位の不安定性は、2個のPH−ISFETの
差動出力を取る方式のため相殺され、差動出力に
その不安定性に基づく雑音は実質上殆んど混入す
ることがないからである。さらに、金属電極を用
いることにより、通常の参照電極では困難な参照
電極自体の小型化が容易であり、また、金属電極
等の方式で作成できるため、PH−ISFET素子を
製造する半導体製造プロセスを用いて容易に製作
できるという利点も生じる。第1図に示した複数
個のPH−ISFETを有する素子では、4個のPH−
ISFETと共に、擬似参照電極としての金などの
蒸着膜を半導体製造プロセスで同時に製作したも
のである。このように、参照電極としては通常の
飽和かんこう電極等を使用することはできるが、
上記のような金属電極の方が好適に使用できる。
第2図は第1図の半導体素子1上のそれぞれ3
と4,5と6および7と8から成る3個のPH−
ISFETのイオン感応面上に3種の固定化酵素膜
11,12及び13を装着したマルチ酵素センサ
を示す。これらの固定化酵素膜は、光感応性高分
子溶液に酵素溶液を混合溶解もしくは分散させた
溶液を用い、フオトリゾグラフイー技術により、
光感応性高分子を架橋反応等により不溶化して調
製したものである。9と10から成るPH−
ISFETには固定化酵素膜を装着せず、直接被験
溶液と接する構造になつている。上記の固定化酵
素膜が被験液中の基質を分解し、それに伴つて固
定化酵素膜内のPHが変化するような酵素を用いる
と、基質の濃度に応じて固定化酵素膜内のPHは被
験溶液自身のPHと差を生じることになる。このPH
の差は固定化酵素膜をもつ3と4,5と6,7と
8からなるPH−ISFETの各出力と、固定化酵素
膜をもたない9と10からなるPH−ISFETの出
力との差に現われることになるので、基質の濃度
の測定が可能となる。3個の固定化酵素膜11,
12及び13には各々別個の酵素を固定化できる
ので、本発明のマルチ酵素センサでは同時に3種
の基質濃度の測定が可能である。
次に実施例に基づき本発明のマルチ酵素センサ
をさらに詳細に述べる。
〔発明の実施例〕
本実施例ではマルチ酵素センサの固定化酵素と
して、グルコース検出の目的でグルコースオキシ
ターゼを、尿素検出の目的でウレアーゼを、尿酸
検出の目的でウリカーゼをそれぞれ酵素として用
いた。用いた光感応性高分子はポリビニアルコー
ルの水酸基にN−メチル−p−ホルミルスチリル
ピリジニウムメトサルフエートを付加した(付加
率はポリビニルアルコールの水酸基に対して0.8
モル%)光感応性樹脂(特開昭56−5761号公報に
記載)の5重量%水溶液を調製した。この水溶液
1mlに対してグルコースオキシターゼ25mgを溶解
した。この溶液を半導体素子表面全体に塗布し、
スピナーを用いて成膜するとともに乾燥した。半
導体素子上の酵素を含む光感応性高分子の膜に、
第2図の11の部分にのみ光を照射するマスクを
入れた露光装置(350Wの超高圧水銀灯からの光
を350nmのカツトオフフイルタに通した光を用い
た)で3分間光を照射した。この照射によつて1
1の部分のみに光感応性高分子が架橋し水に不溶
となる。照射後半導体素子をPH7の緩衝液に1分
程度浸漬し、11の部分以外の酵素・光感応性高
分子膜を水に溶解して除いた。同様の操作をウレ
アーゼ、ウリカーゼについて行ない、第2図の1
2,13の部分に各々固定化ウレアーゼ膜、固定
化ウリカーゼ膜を装着した。
このようにして3種の固定化酵素膜を装着した
半導体素子はリード線をボンデイングし、水に対
する絶縁を施して実際のマルチ酵素センサとして
用いることができる。なおこの実施例では半導体
素子レベルの固定化酵素膜の装着法について述べ
たが、ウエーハ状態での装着についても同様に実
施することができる。
次に本実施例のマルチ酵素センサの応答につい
て述べる。第3図はこのマルチ酵素センサの出力
の例である。グルコース80mg/、尿素70mg/
、及び尿酸80mg/を含む0.02Mのりん酸緩衝
液を試料としたときの出力である。図中曲線Aは
ソース3、ドレイン4から成る固定化グルコース
オキジダーゼ膜を有するPH−ISFETとソース9、
ドレイン10からなる固定化酵素膜のないPH−
ISFETとの間の差動出力を示している。グルコ
ースはグルコースオキシダーゼによつてて次式に
より分解され、酸性物質であるグルコン酸に変化
し、 グルコース+O2→グルコノ−δ−ラクトン+
H2O2 〓 グルコン酸 (1) 11で示した固定化グルコースオキシターゼ膜内
のPHは減少するので、9と10から成るPH−
ISFETの出力との間に第3図曲線Aのような出
力が得られる。同様に尿素の場合は次式に示すよ
うにH+が消費され、 尿素+2H2O+H+→2NH+ 4+HCO- 3 (2) 固定化ウレアーゼ膜12内のPHは増大すること
になり、第3図曲線Bに示したように固定化ウレ
アーゼ膜12をもつ5,6から成るPH−ISFET
と、9,10からなるPH−ISFET間の差動出力は
グルコースの場合の出力とは逆方向に生ずること
になる。最後に尿酸の場合は(3)式に従いウリカー
ゼによつて尿酸が分解され、 尿酸+O2→アラントイン+H2O2+CO2 (3) 酸性物質である尿酸が減少するため、固定化ウ
リカーゼ膜13中のPHは増大する。従つて固定化
ウリカーゼ膜13を有する7,8から成るPH−
ISFETと9,10から成るPH−ISFET間の差動出
力は第3図曲線Cのようになる。
このマルチ酵素センサはグルコース濃度5〜
600mg/、尿素濃度10〜10000mg/、尿酸濃度
10〜5000mg/の各範囲で直線応答を与える。ま
た寿命についてては、25日間の連続使用に対して
3種の基質に対する感度の低下は各々3%以下で
あつた。
本実施例ではゲート電圧を与えるものとして貴
金属薄膜よりなる疑似参照電極を用いた例を示し
たが、銀・塩化銀電極等の安定な参照電極を用い
てもよい。また酵素にグルコースオキシターゼ、
ウレアーゼ、ウリカーゼを用いた例を示したが、
他種の酵素を用いて種々の基質に感応するマルチ
酵素センサとすることができる。また酵素の固定
化に用いた光感応性高分子も酵素の失格の少ない
ものであれば、他種のもの例えばポリエチレング
リコールジメタクリレート(増感剤として例えば
ベンゾインエチルエーテルを加えたもの)、ポリ
ビニルアルコール(架橋剤としてジアジド化合物
を混合したもの)等を用いることができる。また
下地電極としてPH−ISFETを使用した例を示し
たが、併用する酵素反応によつては、他種の
ISFETを用いることができる。
〔発明の効果〕 以上のように本発明によれば、複数のISFET
を有する半導体素子上に各々相異なる固定化酵素
膜を装着することによつて、1個の素子で複数の
基質に感応するマルチ酵素センサが提供できる。
このため、多項目同時分析が少量の試料で可能で
あり、またインテリジエント化の容易なマルチ酵
素センサが得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明によるマルチ酵素センサの下地
電極として用いた複数のPH−ISFETを有する半
導体素子の正面図、第2図は本発明によるマルチ
酵素センサの正面図、第3図は本発明の実施例に
よるマルチ酵素センサの3種の基質に対する応答
曲線を示す線図である。 1……半導体素子、2……疑似参照電極、3,
5,7,9……ソース、4,6,8,10……ド
レイン、11,12,13……固定化酵素膜。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 複数個の同一イオンに感応するイオン感応性
    電界効果型トランジスタのイオン感応面それぞれ
    に、異なる種類の固定化酵素膜を光感応性高分子
    を用いてフオトリゾグラフイー技術により必要な
    部分のみに装着したイオン感応性電界効果型トラ
    ンジスタと、 上記固定化酵素膜を装着しないイオン感応性電
    界効果型トランジスタと、 参照電極と、 これら固定化酵素膜を装着したイオン感応性電
    界効果型トランジスタ、固定化酵素膜を装着しな
    いイオン感応性電界効果型トランジスタ及び参照
    電極を同一基板内に設ける基板とを備えたことを
    特徴とするマルチ酵素センサ。 2 イオン感応性電界効果型トランジスタが水素
    イオン感応性電界効果型トランジスタである特許
    請求の範囲第1項記載のマルチ酵素センサ。
JP58147593A 1983-08-12 1983-08-12 マルチ酵素センサ Granted JPS6039547A (ja)

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JP58147593A JPS6039547A (ja) 1983-08-12 1983-08-12 マルチ酵素センサ

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JPS6039547A JPS6039547A (ja) 1985-03-01
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