JPH0570103B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、電界効果型トランジスター尿素セン
サーに関する。更に詳しくは、体液中の尿素濃度
の迅速な測定などに使用される電界効果型トラン
ジスター尿素センサーに関する。 〔従来の技術〕 医療分野においては、体液中の尿素濃度を測定
することは、腎臓の機能を知る上で不可欠のこと
とされている。従来用いられている尿素の定量法
の代表的なものとしては、酵素複合法が挙げられ
る。この方法は、ウレアーゼ酵素を用いて尿素を
分解し、生成したアンモニアをニコチン酸アデニ
ンジヌクレオチド（NADH）およびα−ケトグ
ルタール酸と、グルタミン酸デヒドロゲナーゼ
（GLDH）の存在下で反応させて、ニコチン酸ア
ミドアデニンジヌクレオチド（NAD）、グルタミ
ン酸および過酸化水素に分解し、このとき消費さ
れるNADHの量を比色法により測定する方法で
ある。 （NH₂）₂CO＋H₂Oウレアーゼ ――――−―→ 2NH₃＋CO₂NH₃＋H₂O――→NH₄ ⁺＋OH^- NADH＋NH₄ ⁺＋α−ケトグルタール酸GLD
Ｈ ――――→ NAD＋グルタミン酸＋H₂O₂ この方法は、検体の険たん白が必要であるこ
と、着色検体はそのまま使用できないことなど前
処理に手間がかかり、操作が煩雑であり、また酵
素が一回しか使用できないためコストが高くなる
などの欠点を有している。 これ以上の方法としては、固定化ウレアーゼ膜
とアンモニウムイオン電極あるいはアンモニアガ
ス電極を組合せた尿素センサーなどが開発されて
いるが、この場合には共存イオンや揮発性のアミ
ンなどの阻害物質の影響を受けるという欠点があ
る。また、センサーは形状的に大きく、素材的な
強度も弱いため、例えば体内挿入のセンサーとし
ては使用し得ないなどという欠点がある。 更に他の方法としては、水素イオン感応性電界
効果型トランジスター（ISFET）の窒化けい素
（Si₃N₄）面をセルロース系または塩化ビニル樹
脂系などの高分子膜で覆い、その上にウレアーゼ
を固定化して尿素センサーとする試みもみられる
が、高分子膜の厚さのために応答性が遅く、また
窒化けい素面と高分子膜との間の接着性の弱さか
ら、高分子膜が剥離し易いという欠点がある。 〔発明が解決しようとする問題点〕 このために、尿素の定量においては、将来の体
内計測への応用も考えた上で、より小さくて強固
であり、簡便、迅速かつ廉価な定量手段が望まれ
ている。 本発明者らは、ISFETの窒化けい素面にウレ
アーゼ酵素を固定化する方法として、酵素固定化
試薬をISFETの窒化けい素面に蒸着させる手段
をとることにより、かかる課題が効果的に解決さ
れることを見出したが、本発明はこのようにして
形成される電界効果型トランジスター尿素センサ
ーを提供することを目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕および〔作用〕 従つて、本発明は電界効果型トランジスター尿
素センサーに係り、この尿素センサーは、水素イ
オン感応性電界効果型トランジスターの無機質担
体面に酵素固定化試薬を蒸着させ、この蒸着面の
酵素固定化試薬の官能性基に酵素のアミノ基を結
合させることにより固定化酵素膜を形成させてな
る。 無機質担体としては、例えば半導体の保護膜あ
るいは絶縁膜材料として用いられる窒化けい素
（Si₃N₄）、酸化けい素（SiO₂）、酸化アルミニウ
ム（Al₂O₃）、酸化タリウム（Ta₂O₅）、窒化ホウ
素（BN）、酸化マグネシウム（MgO）、酸化ベリ
リウム（BeO）、ボロンガラス、リンガラス、ヒ
素ガラスなど、透明導電膜材料として用いられる
酸化錫（SnO₂）、酸化インジウム（In₂O₃）、ヨウ
化銅（CuI）など、あるいは電極材料として用い
られるアルミニウム、金、パラジウムなどがそれ
ぞれ挙げられ、好ましくは窒化ケイ素が用いられ
る。 これらの無機質担体上に形成される酵素固定化
試薬は、シランカツプリング剤およびジアルデヒ
ド化合物を順次蒸着させることにより形成され
る。 シランカツプリング剤としては、例えばγ−ア
ミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−β−（ア
ミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシ
シランまたはその水溶液（濃度100〜10％程度）
が、またジアルデヒド化合物としては例えばグル
タルアルデヒド水溶液（濃度50〜５％程度）がそ
れぞれ用いられる。 これらの各成分を蒸着させることにより形成さ
れる生理活性物質固定化試薬に固定される生理活
性物質としては、例えば酵素、抗生物質、抗体、
細胞内小器管、細胞、微生物などが挙げられる。
これらの内、代表的な生理活性物質として用いら
れる酵素としては、例えばウレアーゼ、グルコー
スオキシダーゼ、アミノ酸オキシダーゼ、コレス
テロールオキシダーゼ、ウリカーゼなどのオキシ
ダーゼ類、クレアキニナーゼ、グルタミナーゼ、
ペニシリナーゼ、カタラーゼ、パーオキシダー
ゼ、インベルターゼ、ムタロターゼ、アミラー
ゼ、パパイン、トリプシンなどのプロテアーゼ
類、グルコースイソメラーゼ、ウロキナーゼなど
が挙げられる。 シランカツプリング剤とジアルデヒド化合物と
は、無機質担体上に蒸着されることにより互いに
反応し、そこに有機質のきわめて薄い膜状物質を
形成させる。形成された反応物質は、その一方の
反応成分たるシランカツプリング剤が無機質担体
面と化学的に結合し、また他方の反応成分たるジ
アルデヒド化合物の官能性基（アルデヒド基）が
生理活性物質、好ましくは酵素のアミノ基と化学
的に結合するので、無機質担体上に有効に結合さ
れた生理活性物質固定化試薬として作用する。 このようにして形成される生理活性物質固定化
用蒸着膜は、電界効果型トランジスター尿素セン
サーなどに有効に用いられる。 この尿素センサーは、ISFETの窒化シリコン
面に酵素固定化試薬を蒸着させ、この蒸着面の酵
素固定化試薬の官能性基に酵素のアミノ基を結合
させることにより、固定化酵素膜を形成させる。 ISFETは、水素イオンH⁺感受性があり、その
界面電位の変化で溶液中のH⁺濃度を検知するこ
とができる。それのゲート上部またはその近傍に
は窒化けい素面が形成されており、窒化けい素面
の形成は、例えばSiH₄とNH₃との混合ガス雰囲
気中で、例えば250℃で１時間処理するという
CVD法（化学的蒸着法）などにより行われる。 このようにして形成された窒化けい素面への酵
素の固定は、窒化けい素面に蒸着された酵素固定
化試薬を介して行われる。酵素固定化試薬として
は、前述の如くジアルデヒド化合物が用いられ、
それを蒸着させる前に予めγ−アミノプロピルト
リエトキシシランなどのシランカツプリング剤を
蒸着させておく。 蒸着は、第１図に示されたような装置を用いて
行われる。加熱源９によつて加熱されたシユレン
クフラスコ（モノマー溜め）１０内のモノマー、
即ちシランカツプリング剤またはその水溶液およ
びジアルデヒド化合物水溶液のそれぞれ約0.01〜
0.5mlを、この順序でゴムパツキン１２を備えた
ガラス製ベルジヤー１１内に流す。後述の第２図
で説明されるガラス管固定ISFET１３は、それ
のゲート、ソース、ドレインのパターンがある
ISFET１９の窒化けい素面側をモノマー蒸気が
流れてくる方向に向けて、ベルジヤーの排気口部
分に固定する。このときの操作条件は、ベルジヤ
ー内圧力が約0.1〜10Torr、シユレンクフラスコ
の外側温度が約70〜120℃、内側温度が約60〜110
℃であり、蒸着時間は各モノマー毎に約１分間〜
３時間程度である。ベルジヤーの排気中から排出
された各モノマーは、シヤー１６内の液体窒素１
７によつて冷却されてトラツプ１４に溜まる。な
お、符号１５は真空計、また１８は真空ポンプで
ある。 このようにして、γ−アミノプロピルトリエト
キシシランなどのシランカツプリング剤およびグ
ルタルアルデヒドなどの酵素固定化試薬成分を順
次蒸着させたISFETの窒化けい表面には、次の
ような機構に従つて有機蒸着膜が薄くかつ強固に
結合して形成されるものと考えられ、事実その表
面にはシツフ塩基ROH＝NR′の赤紫色が観察さ
れる。

【化】

【化】

【化】 従つて、有機蒸着膜の末端にはアルデヒド基が
存在するので、これと酵素のアミノ基とを結合さ
せることができる。例えば、ウレアーゼ酵素の場
合には、約１〜20mg／mlの酵素濃度の水溶液に、
約４〜25℃で約１〜24時間上記有機蒸着膜を形成
させたISFETを浸漬させると、そこでウレアー
ゼ酵素の固定化が行われ、次式で示されるような
構造を有する固定化膜が得られる。

【化】 固定されたウレアーゼ酵素は、前述の如く尿素
をアンモニアと二酸化炭素とに分解させるので、
これを利用して尿素センサーとして作用させるこ
とができる。即ち、この尿素センサーを尿素含有
を被検液と接触させ、尿素の分解反応によつて生
ずるISFETの界面電位の変化を測定し、この測
定値が被検液中の尿素濃度の対数値と相関関係に
あることを利用し、この関係から尿素の定量を行
なうことができるのである。 つまり、ISFETの窒化けい表面の表面組成は、
次式で示されるような電気化学的な解離平衡に支
配されているものと考えられる。

〔発明の効果〕

本発明に係る電界効果型トランジスター尿素セ
ンサーは、次のような特徴を有している。 (1) 蒸着法を用いることにより、無機質担体上に
生理活性物質固定化用試薬を容易にかつ強固な
結合で形成させることができる。 (2) 得られた蒸着膜は、バイオセンサー、バイオ
リアクター、アフイニテイクロマトグラフイ、
医用材料などの各種用途に用いられるが、これ
を尿素センサーなどに用いた場合には、厚さの
点でセルロース膜を用いる方法よりも、応答性
のよいセンサーが得られるようになる。 (3) センサー化することにより、従来用いられて
いた尿素定量法よりも、より簡便で迅速な定量
ができるようになる。また、再使用にも耐え、
それにより廉価な尿素の定量を可能とさせる。 (4) 半導体製造技術をこれに応用することによ
り、従来のガラス電極などと比較して、より小
型で強固なセンサーを得ることができる。 〔実施例〕 次に、実施例について本発明を説明する。 実施例 基板にＰ型ウエハーを用い、シリコンアイライ
ンド作成−フイールド酸化−リン拡散（ソース・
ドレイン形成）−ゲート酸化−窒化けい素の化学
蒸着−プラズマエツチングによるコンタクトホー
ル穴あけ−アルミニウム蒸着による電極形成−水
素アニール−ワイヤーボンデイングという一連の
工程を経て、ISFEを製作した。 このISFETは、幅300μｍ、長さ4.0mmと小さく、
そこに化学蒸着させた窒化けい素の膜厚は約1500
Åであつた。第２図に示すように、表面にソー
ス、ゲートおよびドレインのパターンが形成さ
れ、更にそれらの上が窒化けい素膜で覆われた
ISFET１９を、エポキシ樹脂２０を用いてガラ
ス管２１の下端部に固定し、それからソース端子
リード線２２およびドレイン端子リード線２３を
それぞれに管外に引き出した。 製作されたISFETが、H⁺に対して応答性を示
すか否かを調べるため、第３図に示した測定シス
テムを用い、PH7.3のΔVgを０として、各PHに対
するVg値の変化を、前記した条件下で測定した。
得られた結果は第４図に示され、この結果から
ISFETはH⁺に対して応答を示し、PH5.6〜8.5に
おいて良好な直線性を示し、PH幅1.0当りの応答
特性は約67ｍＶ（37℃）であつた。 次いで、このISFETについて、第１図に示さ
れた態様に従つて、その窒化けい素面に、γ−ア
ミノプロピルトリエトキシシラン0.2mlを用い、
ベルジヤー内圧力5Torr、シユレンクラスコの内
側温度80℃、時間90分間の条件下での蒸着および
50％グルタルアルデヒド水溶液0.2mlを用いて、
圧力5Torr、温度80℃、時間60分間の条件下での
蒸着を順次行なつた。水溶液の場合には、この条
件下ではまず水が蒸発し、次いでグルタルアルデ
ヒドが蒸発して蒸着される。このようにして有機
物蒸着をしたISFETは、室温に一日保存すると、
その表面にシツフ塩基の色である赤紫色が観察さ
れた。 次いで、これにウレアーゼ酵素（シグマ社製品
EC3.5.1.5）を固定化させた。その固定化は、20
mg／mlのウレアーゼ酵素水溶液１ml中に、４℃で
24時間有機物蒸着ISFETを浸漬させる方法によ
つて行われた。 このようにして作成されたウレアーゼ固定化
ISFETが尿素センサーとして機能するかどうか
をみるために、次のような実験を行なつた。ま
ず、下記する各種尿素濃度の水溶液0.1mlを５ｍ
Ｍトリス−HCl4.4ml中に加えることにより最終
尿素濃度が１、2.5、５、7.5または10mg／mlの溶
液を形成するように、尿素濃度が45、112.5、
225、337.5または450mg／mlの水溶液を調整する。
次いで、第３図に図示された測定システムを用
い、37℃で５ｍＭトリス−HCl4.4ml中にウレア
ーゼ固定化ISFETおよび銀／塩化銀電極を浸漬
した。PHは6.5を示し、このときのVgは絶対値で
417.96ｍＶであつた。Vgの値が安定したら、マ
イクロシリンジを用いて、上記既知濃度の尿素水
溶液0.1mlを試験管３内に注入した。注入後の応
答曲線は第５図のグラフに示されるが、この結果
からウレアーゼ固定化ISFETは尿素に対して顕
著な応答性を示すことが分る。 第６図のグラフは、尿素濃度の対数値と電位差
ΔVg（尿素溶液注入前と注入30秒後の電位差）と
の関係を示す検量線であり、即ちΔVgは尿素濃
度１〜10mg／mlの範囲内で良好な直線的関係を示
しており、ウレアーゼ固定化ISFETが電界効果
型トランジスター尿素センサーとして機能するこ
とが分る。 また、この尿素センサーの至適PHを調べるため
に、尿素濃度10mg／ml、温度37℃の条件下で、PH
が5.5〜7.5の範囲内でのPHと測定値との関係を測
定した。第７図のグラフに示されるように、至適
PH範囲は6.0〜6.3の間であつた。更に、再使用性
についても検討したが、約20回迄連続して測定す
ることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、生理活性物質固定化用蒸着膜の作成
に用いられる蒸着装置の概要図である。第２図
は、ガラス管固定ISFETの概要図である。第３
図は、尿素センサー測定システムのブロツクダイ
ヤグラムである。第４図は、ISFETのPH応答特
性を示すグラフである。第５図は、ウレアーゼ固
定化ISFETの応答曲線のグラフである。第６図
は、尿素濃度と電位差との関係を示す検量線のグ
ラフである。また、第７図は、ウレアーゼ固定化
ISFETの至適PH曲線のグラフである。 （符号の説明）、１……銀／塩化銀電極、２…
…ISFET、４……被検液、１３……ガラス管固
定ISFET、１９……パターン上が窒化シリコン
膜で覆われたISFET、２２……ソース端子リー
ド線、２３……ドレイン端子リード線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水素イオン感応性電界効果型トランジスター
   の無機質担体面に、シランカツプリング剤および
   ジアルデヒド化合物を順次蒸着させた酵素固定化
   試薬を形成させ、この蒸着面の酵素固定化試薬の
   官能性基に酵素のアミノ基を結合させることによ
   り固定化酵素膜を形成せしめた尿素センサー。 ２ 無機質担体が窒化けい素である特許請求の範
   囲第１項記載の尿素センサー。 ３ 酵素がウレアーゼである特許請求の範囲第１
   項記載の尿素センサー。