JPH0584860B2

JPH0584860B2 -

Info

Publication number: JPH0584860B2
Application number: JP62071738A
Authority: JP
Inventors: Masao Karube; Hiroaki Suzuki
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1987-03-27
Filing date: 1987-03-27
Publication date: 1993-12-03
Also published as: JPS63238549A

Description

【発明の詳細な説明】〔概要〕基板上に異方性エツチングにより作製した溝の
上に、絶縁層を介して２本の電極を形成し、さら
にこの溝の内部に電解液含有体を収容し、そして
最後に溝の上面をガス透過性膜で覆つた構造を有
する酸素電極の感応部上に化学反応を触媒する生
体関連物質を固定したマイクロバイオセンサが開
示される。このマイクロバイオセンサは、アンペ
ロメトリーに基づくセンサであつて、微小である
ことに加えて、高精度で大量に作製することが可
能でありかつ実用性が大である。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、小型のバイオセンサ、すなわち、マ
イクロバイオセンサに関する。マイクロバイオセ
ンサは、分子識別素子としての生体関連物質を有
機膜に固定した分子識別部（レセプタ）と信号変
換部（トランスデユーサ）とを組み合わせた構造
を有していて、医療、工業プロセス、環境計測な
どの広範囲な分野において利用することができ
る。

〔従来の技術〕

バイオセンサは、これまで、小型化を目指した
研究が中心になつて行われてきた。その典型例と
してあげられるのが、ISFET、すなわち、イオ
ン感応性電界効果型トランジスタをトランスデユ
ーサとして用いたバイオセンサである。このタイ
プのセンサは、測定したい成分と反応してPH変化
をもたらすような酵素をISFETの感応部上に固
定したものであり、小型化、そして大量生産が容
易であるという利点を有する。しかし、これらの
バイオセンサは、電位変化を測定（ポテンシヨメ
トリー）しているので感度の向上に限界があり、
また、さらに大きな問題として、PH変化を生み出
す化学反応を利用しなければならないので使用可
能な酵素がおのずと限られ、限られたセンサしか
作製することができないという欠点がある。

上記したような欠点を回避するために、アンペ
ロメトリー（電流測定方式）に基づくセンサであ
る酵素電極をトランスデユーサとして用いたバイ
オセンサも多く開発されている。例えば、東京工
業大学の森泉教授らのグループは、シリコンウエ
ハを異方性エツチングして溝を形成させ、真空蒸
着により金カソードと銀アノードを形成させ、先
の溝にアルカリ電解液を収容し、さらにこれを酸
素透過性のテフロン（商品名）膜で被覆した構造
を有する酸素電極を開発し、発表した（例えば、
Y.Miyahara，F.Matsui，S.Shiokawa，T.
Moriizumi，H.Matsuoka，I.Karube，S.
Suzuki，Proc.of the 3rd Sensor Symp.，Inst.
Electr.Eng.Jap.，21（1983）を参照）。この酸素
電極は、半導体加工技術を利用しているので小型
化可能であり、したがつて、センサ自体も小型化
することが可能である。生体反応には酸素の関与
するものが多く、上記したタイプの酸素電極はし
たがつて非常に汎用性のあるトランスデユーサと
なり得るというものの、使用するガス透過性膜材
料に、例えば、基板への密着が悪い、特定の個所
のみに選択的に貼ることが難しい、といつた無理
があるため、そのまゝでは実用化、大量生産が非
常に難しい。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、従来の技術の項で説明したよ
うな問題点を解決して、汎用性のある酸素電極を
用いたバイオセンサを小型化するとともに、その
実用化、大量生産及びそれに伴なう低コスト化を
実現することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らは、上記問題点を解決するための手
段として、例えばシリコンのような基板と、該基
板上に異方性エツチングにより作製された逆台形
状の電解液含有体収容溝と、前記基板上に絶縁膜
を介して形成されかつそれぞれの一部が前記溝内
に延在する２本の電極と、前記溝内に収容された
非液体の水性電解液含有体と、液体状の材料の塗
布により形成された膜であつて、前記溝の上面を
被覆し、その溝内に前記電解液含有体を封じ込め
たガス透過性膜とを有する酸素電極の感応部上
に、化学反応を触媒する生体関連物質を固定して
なることを特徴とするマイクロバイオセンサを見
い出した。

本発明によるマイクロバイオセンサは、さらに
詳しく述べると、下記の点： (1) 電解液を蓄える容器を例えばシリコン単結晶
のような単結晶の異方性エツチングにより溝の
形として作製したこと； (2) 溝の形成などをフオトリソグラフイー技術を
用いて行つたこと； (3) 電解液として、液状のものを用いずに、以下
に詳述する非液体の電解液含有体を用いたこ
と； (4) ガス透過性膜は、はじめから膜として市販さ
れているものを用いるのではなく、液体状のも
のから成膜したこと；そして (5) 酵素等の生体関連物質の固定は、その物質を
担体となる物質の水溶液中に溶解し、得られた
水溶液をすでに形成されている酸素電極の感応
部上に塗布し、そこでグルタルアルデヒド等の
適当な架橋剤を滴下することにより、行つたこ
と；を特徴としている。

本発明によるマイクロバイオセンサでは、その
酸素電極において、非液体の、即ち、固体もしく
は半固体の電解液含有体を基板の溝に収容するこ
とが重要である。電解液含有体はいろいろな形態
をとることができる。例えば、アガロースのよう
なゲル形成物質に電解液をしみこませてゲルに電
解液が包み込まれている形とすることができる。
さらに、樹脂等の多孔質材料の細孔に電解液が充
満せしめられている形つすることができる。この
ような電解液含有体は、そのなかを電解値イオン
が容易に移動しやすく、また、水分の蒸発による
体積変化が小さく、機械的強度が大で、基板及び
ガス透過性膜との密着性が良いことが必要条件で
ある。

ガス透過性膜は、疎水性で水溶液が通過しない
ことはもちろんであるが、初めは液体状でデイツ
プコーテイングあるいはスピンコーテイングが可
能であり、電極材料、シリコン基板、そして絶縁
膜としてのシリコン酸化膜（SiO₂）との密着性
が良好で電解液が外部に漏出しないことも必須の
要件である。適当なガス透過性膜材料としては、
シリコーン樹脂、ネガ型フオトレジストなどをあ
げることができる。テフロン（商品名）膜は、酸
素透過性であるといども密着力をもたないので、
使用を避けなければならない。

２本の電極は、製作される電極がポーラロ型で
あるかガルバニ型であるかに応じていろいろに変
更することができる。例えば、ポーラロ型の酸素
電極を製造する場合には、両電極とも金電極ある
いは白金電極から構成し、測定時に両電極間に電
圧を印加する。なお、ポーラロ型にする場合に
は、下地となるシリコン酸化膜を侵しにくい例え
ば0.1M塩化カリウム水溶液等の中性水溶液を用
いるのが好ましい。また、アノード側電極として
鉛、銀等の金や白金に比べて化学反応をおこしや
すい金属の電極を用い、カソード側電極として
金、白金等の電極を用い、そして電解液として例
えば1M水酸化カリウム水溶液等のアルカリ性水
溶液を用いれば、ガルバニ型酸素電極を製造する
ことができる。

本発明によるマイクロバイオセンサでは、レセ
プタの形成のため、化学反応を触媒する生体関連
物質としていろいろな物質を使用することができ
る。例えば、生体関連物質は、単一種類あるいは
複数種類の酵素、微生物、単一種類あるいは複数
種類の酵素と、これと化学反応のうえで関係のあ
る微生物との組み合わせ、その他であることがで
きる。酵素及び微生物は、この技術分野において
生体関連物質として一般に用いられているものの
なかから任意に選択することができる。また、か
かる生体関連物質の固定は、有利には、牛血清ア
ルブミン担体中にグルタルアルデヒドで架橋する
ことによつて行うことができる。

本発明のバイオセンサの酸素電極において、絶
縁膜の形成は、例えばシリコン基板を基板として
使用し、その熱酸化によつてシリコン酸化膜を形
成することによつて有利に行うことができ、ま
た、２本の電極の形成は、例えば真空蒸着、スパ
ツタリングなどによつて有利に行うことができ
る。

〔作用〕

本発明によるマイクロバイオセンサにおいて、
レセプタにおいて使用する生体関連物質は、特定
の分子（基質）を識別し、その分子に特異的な化
学反応を触媒する作用を有する。つまり、生体関
連物質が分子識別することに伴い、特定の物質が
増減する。本発明では、この特定の物質が酵素で
あり、酵素の増減を電気信号に変換するデバイス
（トランスデユーサ）が酸素電極である。

トランスデユーサの使用例としてポーラロ型酸
素電極を例にとつて説明すると、酸素電極の２本
の金電極間に例えば0.5Vの定電圧を印加すると、
カソードとなる一方の電極表面において、次式(1)
で、示す酸素の還元が起こる： O₂＋2H₂Ｏ＋4e^-→4OH^- (1) この際、カソードから酸素への電子の放出が起
こり、電流が流れる。この電流値は上式(1)より明
らかなように酸素濃度に比例するので、電流値を
指標として酸素の定量が可能である。

〔実施例〕

第１図は、本発明によるマイクロバイオセンサ
の好ましい一例（グルコースセンサとしての使
用）を示した斜視図である。図示のバイオセンサ
１０は、酸素電極８と、電極８の感応部上の固定
化酵素膜７とから構成されている。酸素電極８
は、図示される通りに、直方体の形状を有してい
て、感応部がガス透過性膜５で覆われているとと
もに、付属のデバイスに接続するため、電極３Ａ
及び３Ｂの一部分が露出している。電極３Ａ及び
３Ｂは、本例の場合、ポーラロ型とするために両
電極とも金電極で構成した。

酸素電極８の構造は、その−線にそつた断
面図である第２図からより詳しく理解できるであ
ろう。シリコン基板１は、異方性エツチングによ
り形成された溝を有するとともに、その全面にシ
リコン酸化膜（SiO₂膜）２が絶縁膜として被着
せしめられている。シリコン基板１の溝には、２
本の金電極３Ａ及び３Ｂが対をなして被着せしめ
られている。金電極３Ａ及び３Ｂは、第１図で示
したように、それぞれの一部分が溝の外側にまで
延在している。また、シリコン基板１の溝には電
解液含有体４（本例では、電解液を含ませたゲ
ル）が満たされている。さらに、溝の上部には、
基板１の上部の全面（第１図の露出部を除く）を
覆う形で、ガス透過性膜５が被覆されている。

酸素電極８は、さらに説明すると、第３図に平
面図としてかつ第４図に正面図としてそれぞれ図
示する電極本体を有する。図中の６が、先に説明
した、シリコン基板１上に異方性エツチングによ
り形成された溝である。溝６は、金電極３Ａ及び
３Ｂをとり込むようにして形成されている。な
お、この電極本体のサイズは、幅２mm×長さ15mm
×厚さ350μmであつた。

酸素電極８は、例えば、第５図Ａ〜Ｅに順を追
つて示す一連の加工工程を経て製造することがで
きる。なお、以下の説明では、理解を容易ならし
めるため、１枚のウエハ（シリコン基板）に１個
だけ酸素電極を形成する場合について記載するけ
れども、実際には多数個の微小な酸素電極が同時
に形成されるということを理解されたい。

１ウエハ洗浄厚さ350μmの（100）面２インチシリコンウエ
ハを用意し、これを過酸化水素とアンモニア水の
混合溶液、濃硝酸、そして蒸留水で洗浄した。

２ SiO₂膜の形成（第５図Ａ）シリコンウエハ１をウエツト熱酸化し、その全
面に膜厚１〜1.2μmのSiO₂膜２を形成させた。

３エツチング用パターンの形成ネガレジスト（東京応化製OMR−83）を使用
して、ウエハ上にエツチング用レジストパターン
を形成した。

４レジスト塗布ウエハの裏面にも上記工程で使用したものと同
じネガレジストを塗布し、120℃で１時間にわた
つてポストベークした。

５ SiO₂膜のエツチング 50％フツ化水素酸：50％フツ化アンモニウム＝
１：６水溶液にウエハを浸漬し、レジストが被覆
されていない露出部分のSiO₂膜をエツチングに
より除去した。引き続いてレジストを除去した。

６ Siの異方性エツチング（第５図Ｂ） 80℃の35％水酸化カリウム水溶液中にてシリコ
ンの異方性エツチングを行つた。エツチング深さ
300μm。エツチング完了後、ウエハ１を過酸化水
素とアンモニア水の混合溶液、濃硝酸、そして蒸
留水で洗浄した。

７ SiO₂膜の形成シリコンウエハの異方性エツチング部分に
SiO₂膜を生長させるため、ウエハをウエツト熱
酸化した。膜厚5000ÅのSiO₂膜が形成された。

８電極形成用パターンの形成ネガレジスト（東京応化製OMR−83）を使用
して、ウエハのSiO₂膜上に電極形成用レジスト
パターンを形成した。

９電極形成（第５図Ｃ）先に形成したレジストパターンをマスクとし
て、金を膜厚1μmで蒸着して金電極３Ａ及び３Ｂ
を形成した。なお、この金の蒸着に先がけて、金
電極の被着を改良するため、クロムを膜厚500Å
で蒸着した。電極形成後、不要となつたレジスト
を加熱した濃硫酸により除去した。溝６をもつた
電極本体が形成された。すなわち、第５図Ｃは、
第３図の線−にそつた断面図に対応してい
る。

10 電解液含有体の収容（第５図Ｄ）形成された電極本体の溝に電解液含有体４を収
容した。本例では、アガロースを0.1M KCl水溶
液に溶解し、得られた溶液を加熱した後に本体の
溝に注加し、この水溶液で溝の中を満たした。放
置によりアガロースが固化し、ゲルとなつた。

11 ガス透過性膜の被覆（第５図Ｅ）アガロースゲルが固つたのを確認してから、ガ
ス透過性膜形成性撥水性ポリマー（ここでは、東
レシリコーン製シリコーン樹脂SR2410）をこの
上を完全に覆うようにして塗布し、このポリマー
を十分に反応させた。ポリマーが硬化し、第５図
Ｅに示すような感応部断面をもつた所望とする小
型酸素電極が完成した。

次いで、本発明によるマイクログルコースセン
サを製作するため、第５図Ｅの小型酸素電極の感
応部上に５mgのグルコースオキシダーゼを溶解し
た10％牛血清アルブミン水溶液を20μを滴下
し、さらに引き続いて25％グルタルアルデヒド水
溶液10μを滴下した。架橋反応が進行し、第２
図に示されるように、酸素：グルコースオキシダ
ーゼが固定された膜７を有するマイクログルコー
スセンサが完成した。

上記のようにして作製したマイクログルコース
センサの感応部を緩衝液（0.1Mリン酸バツフア
27℃）中に浸漬した状態で、２本の金電極間に一
定電圧（例えば0.6V）を印加し、十分安定させ
た後、緩衝液中にグルコースを含んだ試料液を添
加した。グルコースはグルコースオキシダーゼの
作用により酸化され、この時、酸化電極近傍の酸
素が消費された。この酸素濃度の変化は、電極を
流れる電流の変化となつて現れるので、これによ
り、グルコース濃度を測定することができた。第
６図は、このマイクログルコースセンサの検量線
の一例を示したものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、アンペロメトリツクで微小な
バイオセンサを精度良く大量に作製することが可
能であり、これによりカテーテル中など微小空間
へのセンサの挿入が可能になるばかりでなく、バ
イオセンサのコストも著しく下げることができ、
また、コストの低下により使い捨てが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるマイクロバイオセンサ
の好ましい一例を示した斜視図、第２図は、第１
図のセンサの線分−にそつた断面図、第３図
及び第４図は、それぞれ、第１図のセンサの電極
本体の平面図及び正面図、第５図Ａ〜Ｅは、それ
ぞれ、第１図のセンサの電極の製造工程を順を追
つて示した断面図、そして第６図は、本発明によ
るマイクログルコースセンサの検量線の一例であ
る。図中、１はシリコン基板、２はシリコン酸化
膜、３Ａ及び３Ｂは電極、４は電解液含有体、５
はガス透過性膜、６は溝、７は固定化酵素膜、８
は酸素電極、そして１０はマイクロバイオセンサ
である。

Claims

【特許請求の範囲】１シリコン基板と、該基板上に異方性エツチン
グにより作製された逆台形状の電解液含有体収容
溝と、前記基板上に絶縁膜を介して形成されかつ
それぞれの一部が前記溝内に延在する２本の電極
と、前記溝内に収容された非液体の水性電解液含
有体と、液体状の材料の塗布により形成された膜
であつて、前記溝の上面を被覆し、その溝内に前
記電解液含有体を封じ込めたガス透過性膜とを有
する酸素電極の感応部上に、化学反応を触媒する
生体関連物質を固定してなることを特徴とするマ
イクロバイオセンサ。２前記電解液含有体がゲルであり、それに電解
液が包み込まれている、特許請求の範囲第１項に
記載のマイクロバイオセンサ。３前記電解液含有体が多孔質材料であり、その
細孔に電解液が充満せしめられている、特許請求
の範囲第１項に記載のマイクロバイオセンサ。４前記２本の電極がともに金電極又は白金電極
からなり、そして前記電解液が塩化カリウム水溶
液である、特許請求の範囲第１項〜第３項のいず
れか１項に記載のマイクロバイオセンサ。５前記ガス透過性膜がシリコン樹脂膜である、
特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に
記載のマイクロバイオセンサ。６前記ガス透過性膜がネガ型フオトレジスト膜
である、特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれ
か１項に記載のマイクロバイオセンサ。７前記生体関連物質が１種類の酵素であるかも
しくは２種類以上の関連した酵素の組み合わせで
ある、特許請求の範囲第１項〜第６項のいずれか
１項に記載のマイクロバイオセンサ。８前記生体関連物質が微生物である、特許請求
の範囲第１項〜第６項のいずれか１項に記載のマ
イクロバイオセンサ。９前記生体関連物質が、単一種類あるいは複数
種類の酵素と、これと化学反応のうえで関係のあ
る微生物との組み合わせである、特許請求の範囲
第１項〜第６項のいずれか１項に記載のマイクロ
バイオセンサ。１０前記生体関連物質の固定が、牛血清アルブ
ミン担体中にグルタルアルデヒドで架橋すること
によつて行われている、特許請求の範囲第１項〜
第９項のいずれか１項に記載のマイクロバイオセ
ンサ。