JPH05506938A - ポリウレタン膜を有する固体イオンセンサー - 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】 ポリウレタン膜を有する固体イオンセンサー免眠Ω宣１ 本発明は一般的にイオン、化学物質、生物学的物質、反応物質などの濃度を測定 するためのデバイスおよびシステムに関し、より詳細には、物質感受性膜として 従来のＰＶＣＭと質的に同等な電気化学的特性を有するポリウレタンマトリック スを使用した、そしてそのポリウレタン膜が固体センサーのＳｉ３Ｎ４面に対し て優れた接着性を示す固体デバイスに関する。

固体イオンセンサーはそのサイズの小さいことおよびコスト低減の可能性から、 従来のイオン選択性電極に代わるものとして工業分野および医療分野での用途で 関心を集めている。このセンサーを使用すればは新規な１接的モニタリングが可 能となる。しかし、固体化学センサーのすべてのユーザーにとって、そしてまた 特に長時間のモニタリングに関心のあるユーザーにとっても、膜の接着性の向上 がこのセンサーに要求される。

基本的には、この固体イオンセンサーの潜在的用途は工業分野と医療分野とに大 別することができる。工業分野では、たとえば、処理水または廃水の硬度や汚染 物質の監視、工業用化学物質、食品および薬剤のオン−ライン分析のための使用 や低価格分析装置としての使用などが考慮される。医療分野では、生化学的コン トロールシステムならびに患者の監視と治療のための電解質、血液ガスおよび代 謝基質のモニタリングが考慮される。非常に長期間にわたって工業用および医療 用モニタリングの要求を達成できる固体イオンセンサーが現在求められているの である。ケイ素ベース化学センサーはしばしば変換器としてイオノホアをドープ した重合体膜を使用している。その理由は、これが対象イオンに対する優れた選 択性を有していること、広範な各種イオンに対するイオノホアが入手可能である こと、さらにはイオン選択性電極の技術開発の成果を利用することができるため である。

イオン選択性電極の場合と同様に、はとんどの固体センサーはポリ塩化ビニル（ ＰＶＣ）を膜マトリックスとして使用してきた。従来のマイクロセンサーの失敗 の第１の原因はそのを撮膜のチップ表面に対する接着性が不良であるためである 。その結果、膜のまわりに電解質分路が形成され、膜が作動しなくなるのである 。

膜の接着性向上のために従来技術ではポリアミド懸濁メツシュの使用、ヒドロキ シル支持面に結合させるためのＰＶＣの変性、さらには膜を機械的に取りつける ことなどが研究されてきた。これらの研究は膜の接着性の向上を目的としたもの であるが、それらの結果は総じてＰｖＣに比較して電気化学的性能が劣るかある いは加工処理を複雑化するものとなっている。したがって、好ましくは、少なく とも従来のＰＶＣ膜と同程度の良好な電気化学的特性を示し、しかも固体センサ ーのＳｉ３Ｎ４表面に対して優れた接着性を有する選択性透過膜がめられている のである。

したがって、本発明の１つの目的は延長された寿命を有する物質選択性固体セン サーを提供することである。

本発明のいま１つの目的は優れた電気化学的特性を有する固体センサーのための 物質選択性膜システムを提供することである。

本発明のさらにいま１つの目的は固体センサー材料に対して優れた接着性を示す 固体センサーのための物質感受性膜システムを提供することである。

本発明のさらにいま１つの目的は従来の集積回路製造技術を同時に使用しながら 複数の固体デバイスに適用することのできる固体センサーのための物質感受性膜 システムを提供することである。

さらに、本発明の１つの目的は物質感受性膜の周囲に作動不能化する電解質分路 を形成することのない固体センサーシステムを提供することである。

さらに１本発明のいま１つの目的は簡単かつ安価な固体センサーシステムを提す ることである。

本発明のさらにいま１つの目的は従来の集積回路製造技術を同時に使用しながら そして物質感受性を創出するためにイオノホアをドープする技術を利用して、多 数の固体デバイスに適用することのできる固体センサーのための物質感受性重合 体膜システムを提供することである。

本発明のさらにいま１つの目的は、固体センサーと共に使用することができそし て膜と固体基体との間の連通を維持するためにそれらと結合した１つの構造層を 必要としない物質感受性膜を提供することである。

本発明のさらにいま１つの目的は、安価に量産することができ、そしてたとえば 、処理水または廃水の硬度や汚染物質の監視、工業用化学物質、食品および薬剤 のオン−ライン分析のための使用および低価格分析装置としての使用などに適す る物質感受性固体センサーを提供することである。

本発明のさらにいま１つの目的は、安価に量産することができ、そして医療分野 で、たとえば、電解質、血液ガスおよび医療用基質のモニタリングのために使用 することができる物質感受性センサーを提供することである。

本発明のさらにいま１つの目的は、安価に量産することができ、そして生化学的 コントロールシステムのために使用することができる物質感受性固体センサー膜 を提供することである。

本発明のさらにいま１つの目的は、安価に量産することができ、そして患者の監 視と治療のため使用することができる物質感受性固体センサー膜を提供すること である。

本発明のさらにいま１つの目的は固体センサーに使用することのできる物質感受 性膜であって、その膜が５ｊ０２表面に対して優れた接着性を示す物質感受性膜 を提供することである。

本発明のさらにいま１つの目的は固体センサーに使用することのできる物質感受 性膜であって、その膜がＳｉ、３Ｎ４表面に対して優れた接着性を示す物質感受 性膜を提供することである。

本発明のさらにいま１つの目的は固体センサーに使用することのできる物質感受 性膜であって、その膜が低減された電気抵抗特性を示し、それによってセンサー の電気的ノイズを低下させることのできる物質感受性膜を提供することである。

本発明のさらにいま１つの目的は固体センサーに使用することのできる物質感受 性膜であって、その膜が低減されたタンパク質吸着性を示す物質感受性膜を提供 することである。

本発明のさらにいま１つの目的は固体センサーに使用することのできる物質感受 性膜であって、その膜が血液凝固を生じさせる傾向が少ない物質感受性膜を提供 することである。

！■例！蔚 上記ならびにその他の目的は集積回路化学センサーの配置を提供する本発明によ って達成される。本集積回路センサーはケイ素系半導体物質により形成された領 域の近傍に導電性幇料でつくられた入力電極および予め定められた電気化学的特 性を有しそしてポリウレタン系化合物から形成された選択性透過膜とを有してい る。そのケイ素系化合物はポリウレタン系半導体物質と接着しそして入力電極と 電気的に連通するよう配置されている。この構成によって電気化学的特性に応答 する電圧が入力電極で発生する。

本発明の特に有利な実施態様においては１選択性透過膜はヒドロキシル化共重合 体、ポリ（塩化ビニル／酢酸ビニル／ビニルアルコール）　（ＰＶＣ／Ａｃ／Ａ １１（８０／　５／Ｉｓ　ｗｔ、％）をＴＨＦに溶解したポリウレタンと共にポ リウレタン混合物を形成するこよによってつくられる。さらに、アンモニウム、 カリウムあるいはいくつかの他の化学物質または生物学的物質に応答しつるイオ ノホアがこのポリウレタン混合物に配合される。別の実施態様として、生物活性 剤たとえば酵素、免疫化学物質、細菌、ウィルスなどを添加することによって別 の分子に対して応答するセンサーをつくることができる。また、可塑剤も添加さ れる。

本発明の製造方法によれば、物質感受性膜は、第１にイオノホアをヒドロキシル 化共重合体ポリ（塩化ビニル／酢酸ビニル／ビニルアルコール）　（ＰＶＣ／Ａ ｃ／Ａｌｌ　（８０／　５／１５　ｗｔ、％）にＴＨＦに溶解したポリウレタン と共に混合してポリウレタン混合物を形成し、第２にこのポリウレタン混合物の 中にイオノホアを混合し、および第３にこのポリウレタン混合物の中に可塑剤を 混合する、工程よりなる方法によって製造される。

この本発明による製造方法の１つの実施態様においては、該混合物を基体上に堆 積させる工程がさらに包含される。別の実施態様においては、該混合物は溶剤流 し込み成形されてもよい。

前記したように、イオノホアは、たとえば、アンモニウムイオノホア、カリウム イオノホアなどでありうる０例示的にいえば、イオノホアは混合物の１重量％で 存在する。可塑剤は混合物中に約６６重量％の量で存在する。

Ｍ夏１員皇鳳亜 本発明は添付図面を参照した以下の詳細な説明を読むことによってよりよく理解 される。添付図面中、 図１はアンモニウム選択性膜の応答性を示すグラフである；図２は血清中の測定 を含むカリウム選択性膜の応答性を示すグラフである；図３は血液凝固試験の結 果を示すグラフである；図４は一般的二トロフエニレート検定曲線を示すグラフ である；図５はニトロフェノールホスフェート基体応答性を示すグラフである； 図６はｐ−ニトロフェニルホスフェートの場合の基体検定曲線である。

Ｉ阻ｌ暑団 本発明者等はカリウムおよびアンモニウムに対して選択性をもつポリウレタンマ トリックス膜の形で本発明をなした。この膜は良好な電気化学的特性ならびに窒 化ケイ素に対する卓越した接着性を示す。最も好ましい接着性は、溶剤テトラヒ ドロフラン（ＴＨＦ）中で加工できるヒドロキシル化ＰｖＣを２０重量％使用す ることによって達成された。このポリウレタン物質はＳｉ３Ｎ４を含む広範な基 体に対してきわめて高い結合強度を示す。さらに、このポリウレタン膜は低減さ れたタンパク質吸着と血液凝固の傾向性を示す。

次表は種類の異なる４つの腹をカリウムとアンモニウムに対する電気化学的特性 を比較したものである０本ポリウレタン膜はＰＶＣ膜と匹敵する性能を有し、勾 配と検出限度においては上回っていることがわかる。さらに、これらのポリウレ タン／ヒドロキシル化ＰＶＣ膜は、シラン化剤なしで、ガラスおよびＳ　ｉ　３ 　Ｎ　＜に対して強力な接着性を有している。

表　１ Ｐ’／Ｃ（３３％）　５７．１５５．８　（１５０，９８−４，２８−２，８２ −０，８５１，ＯＰｐｖｃ　ポリ塩化ビニル ＰＶＣ／Ａｃ／Ａｌ　塩化ビニル８０％、酢酸ビニル５％、ビニルアルコール１ ５％ＰＵ　ポリウレタン ｐ−ｓｓ　ポリジメチルシロキサン ５ｉ−ＣＮ　１０−１２％（シアノプロピル）メチルＲ標準化した抵抗 Ａ　定性的接着性 Ｐ　不良（Ｐｏｏｒｌ Ｇ　良（Ｇｏｏｄｌ Ｅ　優ｆＥｘｃｅｌｌｅｎｔ） Ｓ　秀（３ｕｐｅｒｂ１ １）カリウム選択性膜にはパリノマイシンエ％がそしてアンモニウム選択性膜に 　はノナクチン１％がドープされていた。膜の残分はＤＯＡ　（ビス（２−エチ 　ルヘキシル）アジビエート可塑剤である。

次表はＰＶＣ（ＰＶＣ／Ａｃ／ＡＩ）が添加された場合の電気化学的性能の向上 を示している。電気化学的性能はいずれの場合にも優れているが、接着性は（Ｐ 　ＶＣ／Ａ　ｃ／Ａ　Ｉ　）を使用した場合の方がより良い。

ＰＵ／ＰＶＣ膜の最適化 Ｐ　Ｕ　／　Ｐ　Ｖ　Ｃ／　Ａ　ｃ　／　Ａ　Ｉ膜の最適化図１はアンモニウム 選択性膜の応答性を示すグラフである。また１図２は血清中の測定を含むカリウ ム選択性膜の応答性を示すグラフである。これらの図からポリウレタン膜が各種 のモニタリングに使用可能であることが明らかである。

ポリウレタンは多くの固体センサーにとって重要な性質である優れたバイオ融和 性を有している。各種タイプの膜でコートされた複数のガラス管を使用して血液 試験を実施した。新鮮なヒトの血液をガラス管を６０秒ずつ傾けて凝固が起こる まで膜と接触させた０図３に示されているように、この重合体でコートされた管 は普通のガラス管よりも凝固時間が長い。

膜の接着性は重要である。なぜならば、これが固体化学センサーの寿命時間を決 定する特性の１つであるからである１本発明による膜およびに他の膜の試験中に 接着特性を測定するため、よく知られている”スコッチテープ試験”を採用した 。その試験の結果が下記の表２に表示されている。

表　２ 接着試験 表２に記載したように、それぞれ４種類のマトツリクスの３０の膜が、前もって その上にＳｉ３Ｎ、フィルムが堆積されていたケイ素ウェハーの面上に流し込み 成形された。膜が硬化した後、テープを膜の上に圧着しそして後からはがした。

ポリウレタン膜またはシリコーンゴム膜は１つもはがれなかった、Ｐ■Ｃ膜とヒ ドロキシル化ｐｖｃ＠は全部はがれた。

いま１つの実験では、ガラス管にそれぞれの組成物をコーティングしそしてそれ らのガラス管を６時間水中に浸漬することによって湿潤接着性を試験した。

ガラス管を浸漬後に流水で洗った時、ｐｖｃ塗膜の多くはガラス管から洗い流さ れてしまった。しかし、ポリウレタン膜またはシリコーン系膜の場合は洗い流さ れたものはなかった。

上記した試験がいずれも半定量的なものにすぎないという事実に鑑み、新しい接 着試験を企画した。すなわち、背面にあらかじめ刻み目をつけたウェハーのＳｉ ３Ｎ４面上に震を流し込み成形した。次に、このウェハーを２つに裂きそしてそ の一方の半分をロードセルに、他方の半分を静止グリップに係止して引張試験機 にかけた。これら２つの半分を引きはなしてそして膜をウェハー表面から剥離し た。この際、膜剥離力をロードセルで監視した。この試験においてＳ　１３ＦＪ 　４面から各膜を剥離するために必要とされた最大引張力を比較した。その試験 結果は次ぎ表３に示すとおりであった。

表　３ 接着試験結果 表３から明らかなように、ポリウレタンゴム膜はきわめて強い結合力を有してい た。

ニトロフェルレート塩基性塩基膜をイオノホアとしてテトラヘプチルアンモニウ ムブロマイドを配合することによって製造した。この塩基膜の場合の一般的二ト ロフエル−ト検定曲線が、酵素固定化の前と後について、図４に示されている。

基質、ニトロフェニルホスフェートを加えた時、そのアルカリ性フォスファター ゼ固定化膜は、図５に示すように、酵素により産生されたニトロフエニレートに 対して応答した。図５はニトロフェノールホスフェート基質応答を表すグラフで ある０図６はｐ−ニトロフェニルホスフェートについての基質検定曲線である。

膜を付与する方法は多数あり、浸漬、流し込み成形、スピンコーティング、スク リーン印刷などが例示される。さらに、処方をわずかに変更することにより多数 の有用な膜をつくることができる。最も簡単な膜は特定イオンに対するイオノホ アを含有するものである。このような膜は、あるいは、生物活性剤たとえば酵素 、免疫化学物質、細菌などと一緒にまたはそれらを膜マトリックスに組み込んで 組み合わせて使用することができる。このようにして、その膜をよりＷＩＭな化 学物質に対して特異性のあるものとすることができる。

以上１本発明を特定の実施態様および用途に関連して説明したが、本明細書の教 示に従って、請求の範囲に記載された本発明の範囲および精神から逸脱すること なく、当業者はさらに各種追加実施態様をつることが可能である。したがって、 ここに開示された図面と記載はもっばら本発明の理解を助けるためのものであり 、本発明の範囲をｆＩＩＩ限するものでないことを理解されたい。

＝− ＦＩＧ、５ 時時間分） 要　約　書 国際調査報告 １＋’＋＋５ｔｔ−ｈ＾ａｅ１．１．−ｗ　ｐｌ：τ／ＵＳ９］、１０３０２４

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．ケイ素系半導体物質から形成された領域の近傍に設けられた導電性材料から なる入力電極と、予め定められた電気化学的特性を有しそしてポリウレタン系化 合物からなる選択性透過膜とを有し、該選択性膜は該電気化学的特性に応答する 電圧を該入力電極で発生させるため、該ケイ素系半導体物質と接着された状態で かつ該入力電極と電気的に連通されて配置されている集積回路化学センサーアレ ンジメント。
2. ２．該選択性透過膜がさらに有効量のヒドロキシル化共重合体を含有している請 求項１記載の集積回路化学センサーアレンジメント。
3. ３．該ポリウレタン系化合物にイオノホアが混合されており、これによってその 集積回路化学センサーがイオンに対して応答性である請求項１記載の集積回路化 学センサーアレンジメント。
4. ４．該イオノホアがカリウムイオノホアである請求項３記載の集積回路化学セン サーアレンジメント。
5. ５．該イオノホアがアンモニウムイオノホアである請求項３記載の集積回路化学 センサーアレンジメント。
6. ６．該選択性透過膜がさらに可塑剤を含有している請求項５記載の集積回路化学 センサーアレンジメント。
7. ７．該可塑剤がジオクチルアジビユートである請求項６記載の集積回路化学セン サーアレンジメント。
8. ８．該電気化学的特性が生物活性剤を介して対象分子と結合することによってそ の対象分子に対して応答する請求項１記載の集積回路化学センサーアレンジメン ト。
9. ９．該生物活性剤が酵素、免疫化学物質、細菌およびウィルスから選択される請 求項８記載の集積回路化学センサーアレンジメント。
10. １０．固体センサーアレンジメントのための物質感受性膜の形成方法において、 第１にヒドロキシル化共重合体、ポリ（塩化ビニル／酢酸ビニル／ビニルアルコ ール（ＰＶＣ／Ａｃ／Ａｌ）（８０／５／１５ｗｔ％）をＴＨＦに溶解したポリ ウレタンと混合してポリウレタン混合物を形成し、 第２に該ポリウレタン混合物の中にイオノホアを混合し、および第３に該ポリウ レタン混合物の中に可塑剤を混合する、工程を包含する方法。
11. １１．さらにその混合物を基体上に堆積させる工程を包含する請求項１０記載の 方法。
12. １２．さらにその混合物を流し込み成形する工程を包合する請求項１０記載の方 法。
13. １３．第２の混合工程におけるイオノホアがアンモニウムイオノホアである請求 項１０記載の方法。
14. １４．第２の混合工程におけるイオノホアがカリウムイオノホアである請求項１ ０記載の方法。
15. １５．該イオノホアが混合物の１重量％の割合で存在する請求項１０記載の方法 。
16. １６．固体センサーアレンジメントのための物質感受性膜の形成方法において、 第１にヒドロキシル化共重合体、ポリ（塩化ビニル／酢酸ビニル／ビニルアルコ ール（ＰＶＣ／Ａｃ／Ａｌ）（８０／５／１５ｗｔ％）をＴＨＦに溶解したポリ ウレタンと混合してポリウレタン混合物を形成し、 第２に該ポリウレタン混合物の約１重量％の量で該ポリウレタン混合物の中にイ オノホアを混合し、 第３に該ポリウレタン混合物の約６６重量％の量で該ポリウレタン混合物の中に 可塑剤を混合する、 工程を包含する方法。