JPH04223256A - 酵素センサおよびその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＭＯＳ（Ｍａｔａｌ　　
Ｏｘｉｄｅ　　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型トラン
ジスタ等の電界効果トランジスタを利用した酵素センサ
に係り、特に酵素反応により生じる半導体基板の表面電
位の変化を検出することにより被測定物質の濃度を測定
する酵素センサおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、酵素センサとしてグルコースセン
サ、尿素センサ等の実用化が進み、主として臨床化学分
析に使用されている。この中でグルコースセンサは最も
実用化が進んでおり、最近、酸素や過酸化水素を常温で
検知することができるフッ化物イオン導電体物質として
単結晶トリフルオロランタン（ＬａＦ３）素子をトラン
スデューサとして用いた固体型グルコースセンサが報告
されている（Ｎ．Ｍｉｗａ，Ｎ．Ｍａｔａｙｏｓｈｉ，
Ｎ．Ｙａｍａｚｏｅ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ
．２８，１４８０−１４８２（１９８９））。このグル
コースセンサは、スズ（Ｓｎ）およびフッ化スズ（Ｓｎ
Ｆ２）により形成された参照極上に、イオン導電性固体
電解質としてのトリフルオロランタン膜を形成し、さら
にこのトリフルオロランタン膜上に触媒としての白金薄
膜を形成し、この白金薄膜上にグルコースオキシダーゼ
（ＧＯＤ）を白金ブラック中に担持させた酵素固定膜を
形成したもので、酵素固定膜および白金薄膜と参照極と
イオン導電性固体電極との間に発生する起電力を、白金
膜と裏面の端子との間の容量変化から測定するものであ
る。

【０００３】さらに、トリフルオロランタンの代りにア
ンチモン酸をイオン導電性固体電解質として用いるグル
コースセンサが報告されている（第１１回化学センサ研
究会（９．３０．１９９０）、又吉直子、三浦則雄、山
添昇）。このグルコースセンサは、金（Ａｕ）により形
成された参照極上に膜厚約１０μｍのアンチモン酸厚膜
を形成し、このアンチモン酸厚膜上に白金薄膜を形成し
、この白金薄膜上にカーボンペーストにグルコースオキ
シダーゼを担持させた酵素固定化膜を形成したもので、
酵素固定化膜／白金薄膜／イオン導電性固体電解質膜構
成の電極と、参照極との間の差動起電力よりグルコース
の濃度を測定するものである。このグルコースセンサで
は、酵素反応で生成する過酸化水素を測定してグルコー
ス濃度を算出している。この場合、素子起電力と過酸化
水素濃度との間に直線性が成り立ち、検知極では次のよ
うな過酸化水素−電子酸化反応が起こっている。

【０００４】

【化１】 このグルコースセンサにおける９０％応答時間は１分程
度である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来のセンサでは、イオン導電性固体電解質自身に作用
極と基準極を設けなければならないため、このイオン導
電性固体電解質膜を厚膜（たとえば、５０００Å以上）
とすることが必要である。また、測定に際しては、固体
電極（作用極）と基準極（たとえば、銀／塩化銀電極）
との間で電位法により測定するが、両電極は５ｍｍ２以
上の面積を必要とする。しかし、医療分野で用いる場合
には極めて微小なものが必要である。たとえば電極プロ
ーブとして用いる場合には、直径１ｍｍ以下、好ましく
は０．３ｍｍ以下が要求される。また、測定に際しての
電極構成は、作用極および基準極の２極構成、あるいは
作用極、参照極および対極の３極であるが、これら電極
を束ねて微小化して実用化することは困難であった。ま
た、３極構成では、配線等のハイブリッド技術は半導体
加工技術を効果的に利用することができるものであり、
センサとしても半導体微細加工技術を利用できるものが
望まれていた。

【０００６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、半導体微細加工技術を利用して集積
化することができ、小型化および高速化を実現し得る酵
素センサおよびその製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の酵素センサは、
電界効果トランジスタが形成された半導体基板と、この
半導体基板のゲート上に形成されたイオン導電性固体電
解質膜と、このイオン導電性固体電解質膜上に形成され
た触媒物質膜と、この触媒物質膜上に形成された酵素固
定化膜とを備え、酵素反応により生じる前記半導体基板
の表面電位の変化を測定することにより被測定物質の濃
度を検出するものである。表面電位の検出には電解効果
トランジスタ（ＦＥＴ）原理やＣ（容量）−Ｖ（電圧）
特性による表面電位検出法を利用することができる。

【０００８】特に、本発明の酵素センサは、前記イオン
導電性固体電解質膜を単結晶トリフルオロランタン、ト
リオキソタングステンランタンおよびアンチモン酸のい
ずれかにより形成し、その上に触媒物質膜、次いで酵素
固定化膜を形成する。この酵素固定化膜にグルコースオ
キシダーゼを固定し、グルコースの酵素反応により生成
される過酸化水素量を、前記半導体基板の表面電位の変
化を測定することにより検出し、これによりグルコース
の濃度を測定するものである。

【０００９】本発明の酵素センサでは、半導体基板のゲ
ート上に、イオン導電性固体電解質膜と触媒物質膜との
積層膜、および酵素固定化膜からなる、いわゆるＭＯＳ
ダイオードを構成しており、このＭＯＳダイオードの容
量の変化から被測定物質の濃度を測定するものである。 たとえば酵素としてグルコースオキシダーゼを固定化し
、グルコースセンサとした場合には、グルコース（Ｃ６
Ｈ１２Ｏ６）の溶液に浸すとグルコースオキシダーゼの
存在によってＭＯＳダイオードの表面では次のような反
応が起こり、グルコノラクトン（Ｃ６Ｈ１０Ｏ６）と過
酸化水素とが発生する。

【００１０】

【化２】 この過酸化水素とイオン導電性固体電解質膜とが反応し
て起電力を発生するため、半導体基板のフラットバンド
電圧（ＶＦＶ）が変化する。これによりＭＯＳダイオー
ドの容量が変化するもので、このダイオードの容量の変
化を検出することにより、グルコース濃度を検出するこ
とができる。具体的には、白金等の触媒物質膜を電極と
して、この電極と半導体基板の裏面の電極との間の容量
を測定すればよい。なお、この酵素センサを作用極とし
、基準極（銀／塩化銀）、または酵素を失活させた以外
は本発明の酵素センサと同一構成の比較極との間で発生
した起電力を測定することもできる。

【００１１】本発明で用いる半導体基板としては、半導
体シリコン基板を用い、またその上の絶縁膜をシリコン
酸化膜とすることが好ましいが、電界効果トランジスタ
を形成することができるものであれば、その他の半導体
（たとえばガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（
ＩｎＰ）等）であってもよい。

【００１２】イオン導電性固体電解質膜は、酵素反応で
生成した過酸化水素を

【化１】 式で示した酸化反応を生起する働きと、このときのＨ＋
（イオン）を導電する固体電界質の性質を有するもので
、たとえば単結晶トリフルオロランタン（ＬａＦ３）、
トリオキソタングステンランタン（ＬａＷＯ３）、アン
チモン酸などが用いられるが、この目的を達成できる構
造体であれば他のものでもよい。

【００１３】酵素反応を促進させる触媒物質膜としては
、白金、パロブストカイト系セラミックスなどが効果的
に用いられ、その他の金属、金属酸化物、セラミックス
、無機材料なども用いることができる。

【００１４】本発明の酵素センサでは、半導体基板を利
用しているので、半導体微細加工技術を利用して集積化
することができ、小型化を実現できるとともに、他の種
類のセンサと組み合わせることにより多機能センサを実
現することができる。また、白金等の触媒物質膜、ある
いは別に金属電極を付着してこれを対極として用いるこ
とができるので、基準電極が不要であり、製造工程を簡
略化することができるとともに、測定が容易になる。

【００１５】また、単結晶トリフルオロランタン膜を参
照極上に形成した従来のグルコースセンサでは、応答感
度を上げるために、膜を薄くすることに限界があったが
、本発明による酵素センサでは、イオン導電性固体電解
質が直接半導体基板上に形成されており、酵素反応で生
成した過酸化水素が、イオン導電性固体電解質と反応し
て起電力が生起する構成であるため、イオン導電性固体
電解質、触媒物質膜は極めて薄い膜であっても良く、こ
れによってもより小型化を図ることができる。

【００１６】さらに、本発明の酵素センサでは、酵素反
応により生じた過酸化水素を測定するものであるため、
水素イオン濃度（ｐＨ）に依存することなく測定するこ
とができる。したがって、測定に際して水素イオン濃度
の調整が不要であり、測定が容易になる。

【００１７】なお、本発明の酵素センサでは、イオン導
電性固体電解質膜の形成領域以外の絶縁部を、ＭＯＳダ
イオード部のゲートに比較して肉厚に形成し、この肉厚
の絶縁部の中で触媒物質膜と外部電極とを接続させる構
成とする必要がある。ＭＯＳダイオード部のゲートと同
じ厚さとすると、外部電極との接続部もダイオードとな
ってしまい、感度が劣化するおそれがあるからである。

【００１８】本発明の酵素センサを製造するに際しては
、たとえばスピンコート法、誘電法（たとえばスパッタ
リング法（ＲＦスパッタ法、中性イオン原子ビームスパ
ッタ法等）を用いることにより、イオン導電性固体電解
質膜、触媒物質膜および酵素固定化膜を電界効果トラン
ジスタの微小ゲート上に容易に形成することができ、集
積化を図ることができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して具休
的に説明する。 （実施例１） 図１は本発明の実施例１に係るグルコースセンサの縦断
面構造を表すものである。まず、表面にＭＯＳ型電界効
果トランジスタのゲートとなる膜厚１００μｍのシリコ
ン酸化膜２２が形成された市販のｎ型シリコン半導体基
板２１を用意した。このシリコン半導体基板２１のシリ
コン酸化膜２２のＭＯＳダイオード形成予定領域を選択
的にエッチング除去するとともに、裏面にアルミニウム
板２７を固定した。その後、平行平板型のＲＦスパッタ
装置（日電アネルバ社製、ＳＰＦ−２１０Ｈ）を用い、
圧力（アルゴンガス圧）８×１０−２Ｔｏｒｒの条件で
、アルゴンイオンによりトリフルオロランタンのターゲ
ットのスパッタリングを行い、トリフルオロランタン膜
２３をエッチング除去部の約半分の深さまで（膜厚約２
０００Å）形成した。次いで、ターゲットを白金に変え
てスパッタリングを行い、同じ条件でトリフルオロラン
タン膜２３からシリコン酸化膜２２にわたって、触媒物
質膜としての膜厚５００Åの白金電極膜２４を被覆形成
した。次いで、シリコン酸化膜２２の肉厚部２２ａ上で
白金電極膜２４にリード線（白金線）２５の一端を銀ペ
ーストにより接続した。同じく、シリコン半導体基板２
１の裏面側のアルミニウム板２７に銅線（リード線）２
８の一端を接続した。さらに、保護膜としてのエポキシ
樹脂２９でグルコースオキシダーゼ固定化膜形成予定領
域を除く領域全体を被覆した。続いて、グルコースオキ
シダーゼ（２０ｍｇ／ｍｌ、１４６Ｕ／ｍｇ）、アルブ
ミン溶液（５％）およびグルタルアルデヒド溶液（１％
）を含有するリン酸緩衝液中に１５分間浸漬し、次いで
アルブミン溶液（５％）に浸漬させることにより、白金
電極膜２４上にグルコースオキシダーゼ固定化膜２６を
被覆形成した。なお、図２は白金電極膜２４の平面構造
を示すもので、図１はこの図２のＩ−Ｉ線に沿う断面構
造を示すものである。

【００２０】本実施例のグルコースセンサでは、ゲート
としてのシリコン酸化膜２２が形成されたシリコン半導
体基板２１上に、トリフルオロランタン膜２３と白金電
極膜２４からなる積層膜、およびグルコースオキシダー
ゼ固定化膜２６からなるＭＯＳダイオード３０が形成さ
れている。この場合、トリフルオロランタン膜２３と白
金電極膜２４とからなる積層膜の酸化反応によって生じ
る起電力、すなわちシリコン半導体基板２１のフラット
バンド電圧（ＶＦＶ）の変化を、ＭＯＳダイオード３０
の容量変化から測定することができる。この容量変化は
リード線２５、２８を介して公知の測定回路により測定
することができ、これによりグルコースの酵素反応によ
って生起する過酸化水素量を検出し、グルコース濃度を
測定することができる。

【００２１】実験例１ 実施例１で作製した図１のグルコースセンサ３１を図５
（ａ）に示すようにリン酸塩緩衝溶液３２中に浸し、こ
のグルコースセンサ３１のバイアス電圧をフラットバン
ド電圧（ＶＦＶ）近くに固定した。次いで、リン酸塩緩
衝溶液３２のグルコース濃度を徐々に上げ、その際のＭ
ＯＳダイオード３０の容量変化ΔＣを求め、グルコース
濃度に対する応答を測定した。そして、図６に示すＣ（
容量）−Ｖ（出力電圧）特性よりフラットバンド電圧の
増加分ΔＶＦＶを求めた。その結果を図７のＡに示す。

【００２２】また、トリフルオロランタンはグルコース
オキシダーゼの存在によって生成する過酸化水素に反応
するということを確かめるために、図５（ｂ）に示すよ
うに過酸化水素溶液３３で同様の測定を行った。ただし
、この場合は、白金電極膜２４表面にグルコースオキシ
ダーゼを固定しないで測定を行った。グルコース濃度変
化（１０−４〜１０−１Ｍ）に対して出力電圧の増加分
（ΔＶＦＶ）をプロットした結果を図７のＢに示す。

【００２３】この出力電圧の増加分（ΔＶＦＶ）と過酸
化水素の濃度との関係は４×１０−４〜１×１０−２Ｍ
の範囲でほぼ直線関係を示しており、このときの直線の
傾きは−５０ｍＶ／濃度である。これは過酸化水素１分
子当たりの反応電子数が約１．０であり過酸化水素の１
電子酸化反応が起っていることを示唆している。一方、
図７のＡの結果より、実施例１のグルコースセンサのグ
ルコースに対する応答は、３×１０−４〜８×１０−３
Ｍの範囲で直線関係を示し、このときの直線の傾きは過
酸化水素に対する傾きとほぼ一致する−５０ｍＶ／濃度
を示している。すなわち、実施例１のグルコースセンサ
は、グルコースオキシダーゼの存在によって生成される
グルコノラクトンと過酸化水素のうち過酸化水素に反応
していることがわかった。

【００２４】実施例１の酵素センサにおいてグルコース
濃度を変化させたときの９０％応答は４〜１０分間程度
であった。図８にその結果を示す。また、実施例１のグ
ルコースセンサをリン酸塩緩衝液中に浸漬して約４℃で
保存し、一回の測定時間を２時間として、１日１〜２回
グルコース濃度を測定した。このグルコースセンサは約
１０日間ほど安定した特性を示し、耐久性があることが
わかった。

【００２５】実験例２ 実施例１で作製したグルコースセンサを作用極とし、グ
ルコースオキシダーゼを失活させた以外は実施例１のグ
ルコースセンサと同様に作製した比較極を同一シリコン
半導体基板２１上に形成し、図５（ａ）に示したと同様
の構成で、ＭＯＳダイオードの容積変化ΔＣを求め、実
験例１と同様にＣ−Ｖ特性からグルコース濃度に対する
応答（ΔＶＦＶ）を求めた。その結果は実験例１と同じ
く、過酸化水素に対する傾きと同じであった。したがっ
て、本実験例における電極構成でも同様に実施例１のグ
ルコースセンサが、グルコースオキシダーゼの存在によ
って生成するグルコノラクトンと過酸化水素のうちの過
酸化水素と反応し、過酸化水素の１電子酸化反応が生起
していることが明らかとなった。

【００２６】図３に示すように、実施例１で作製したグ
ルコースセンサ３１と、基準極としての基準ＦＥＴ３５
とを一体化した構造とした。図４は基準ＦＥＴ３５の図
３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面構造を表している。すな
わち、グルコースセンサ３１のシリコン半導体基板２１
の上に酸化アルミナ、サファイア等の絶縁性基板３６を
搭載し、この絶縁性基板３６の上にスパッタ法により膜
厚１０００Åの銀薄膜電極３７を形成し、さらに中性原
子ビームスパッタ装置を用いて、塩化銀薄膜３８および
ポリテトラフルオロエチレン（登録商標；テフロン）薄
膜３９を交互に５層形成し、最終的に被検液に接触する
層がポリテトラフルオロエチレン薄膜３９となるように
した。スパッタの条件は、真空度２×１０−５Ｔｏｏｒ
、アルゴン流量約０．５ＳＣＣＭ、加速電圧７ＫＶ、電
流値１．２ｎＡとし、ターゲットへのビーム入射角度を
３０〜４５度に設定した。ポリテトラフルオロエチレン
薄膜３９の膜厚２００Å、混合膜４０の膜厚は約５００
Åであった。この基準ＦＥＴ３５を飽和塩化ナトリウム
水溶液中に２〜３時間浸漬し、電位を安定させてから測
定を行った結果、安定した結果が得られた。なお、この
基準ＦＥＴ３５の基準電位は、ソース４１およびドレイ
ン４２を有するＭＯＳ型電界効果トランジスタ４３によ
り検出され、リード線４４を介して外部の測定装置によ
り測定される。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の酵素センサ
によれば、半導体基板のゲート上に、イオン導電性固体
電解質膜と触媒物質膜とからなる積層膜、および酵素固
定化膜によりＭＯＳダイオードを構成するようにしたの
で、このＭＯＳダイオードの容量の変化、すなわち酵素
反応により生じる前記半導体基板の表面電位の変化を測
定することにより、被測定物質の濃度を安定して測定す
ることができる。また、触媒物質膜を白金等の貴金属で
形成し、これを対極としても用いることにより基準電極
が不要となり、これにより製作プロセスが簡易となり、
またセンサの小型化、保守、安定化に有利となる。また
、半導体集積化技術を用いて製造することができるので
、小型化ならびに高速化を実現することができるととも
に、他の種類のセンサと組み合わせることにより、容易
に多機能センサを実現することができる。さらに、本発
明の酵素センサの製造方法によれば、前記ＭＯＳダイオ
ード構造を容易に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係るグルコースセンサの構
成を表す縦断面図である。

【図２】本発明の実施例１に係るグルコースセンサの電
極部の構成を表す平面図である。

【図３】本発明の実施例１に係るグルコースセンサを基
準極と一体化した構成を表す平面図である。

【図４】図３に示した基準極の構成を表す縦断面図であ
る。

【図５】それぞれ実施例１のグルコースセンサの応答特
性を求めるための構成例を表すもので、（ａ）はグルコ
ースに対する応答特性、また（ｂ）は過酸化水素に対す
る応答特性を求めるための構成を表す図である。

【図６】実施例１のグルコースセンサにおけるＭＯＳダ
イオードの容量特性を示す図である。

【図７】実験例１で求めたグルコースセンサのグルコー
スおよび過酸化水素に対する応答特性を示す図である。

【図８】実験例２で求めたグルコースセンサの応答特性
を表す図である。

【符号の説明】

２１　　シリコン半導体基板 ２２　　シリコン酸化膜 ２３　　トリフルオロランタン膜 ２４　　白金電極膜

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　電界効果トランジスタが形成された半
   導体基板と、前記電界効果トランジスタのゲート上に形
   成されたイオン導電性固体電解質膜と、このイオン導電
   性固体電解質膜上に形成された触媒物質膜と、この触媒
   物質膜上に形成された酵素固定化膜とを備え、酵素反応
   により生じる前記半導体基板の表面電位の変化を測定す
   ることにより被測定物質の濃度を検出することを特徴と
   する酵素センサ。
2. 【請求項２】　　前記イオン導電性固体電解質膜を単結
   晶トリフルオロランタン、トリオキソタングステンラン
   タンおよびアンチモン酸のいずれかにより形成するとと
   もに、酵素固定化膜にグルコースオキシダーゼを固定し
   、イオン導電性固体電解質膜とグルコース反応により生
   成される過酸化水素とが反応するときの前記半導体基板
   の表面電位の変化を測定することによりグルコースの濃
   度を測定するよう構成してなる請求項１記載の酵素セン
   サ。
3. 【請求項３】前記イオン導電性固体電解質膜の形成領域
   以外の部分に、前記ゲートよりも肉厚の絶縁部を形成し
   、この絶縁部の中で前記触媒物質膜と外部電極とを電気
   的に接続するように構成してなる請求項１または２に記
   載の酵素センサ。
4. 【請求項４】　　前記半導体基板の裏面側に端子取出し
   用の電極を形成してなる請求項１ないし３のいずれか１
   に記載の酵素センサ。
5. 【請求項５】　　電界効果トランジスタをＭＯＳ型電界
   効果トランジスタとしてなる請求項１ないし４のいずれ
   か１に記載の酵素センサ。
6. 【請求項６】　　同一半導体基板上に基準電極を形成し
   てなる請求項１ないし４のいずれか１に記載の酵素セン
   サ。
7. 【請求項７】　　触媒物質に貴金属を用い、これを対極
   としてなる請求項１ないし４のいずれか１に記載の酵素
   センサ。
8. 【請求項８】　　ゲート電極上に金属膜を形成し、これ
   を対極としてなる請求項１ないし４のいずれか１に記載
   の酵素センサ。
9. 【請求項９】　　請求項１ないし５のいずれかに記載の
   酵素センサの製造方法であって、電界効果トランジスタ
   のゲート上に、前記イオン導電性固体電解質膜、次いで
   触媒物質膜を誘電法により連続して形成し、その後酵素
   固定化膜を前記触媒物質膜上に形成することを特徴とす
   る酵素センサの製造方法。