JPS62288560A

JPS62288560A - バイオセンサ−

Info

Publication number: JPS62288560A
Application number: JP61131107A
Authority: JP
Inventors: Masao Saito; 正男斉藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-06-07
Filing date: 1986-06-07
Publication date: 1987-12-15

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】＆　発明の詳細な説明（産業上の利用分野）本発明は、電界効果トランジスタを利用したバイオセン
サーに関し、さらに詳しくは、該トランジスタのゲート
絶縁膜表面に特定の高分子薄膜を形成してなるバイオセ
ンサーＫｐＡする。

（従来の技術）電界効果トランジスタのゲート絶縁膜表面に高分子薄膜
を被着させ、この高分子薄膜に抗原、抗体等の感応性物
質を固定化させたものが、バイオセンサーとして提案さ
れており、生体関連物質の検出、濃度測定等が正確かつ
短時間で行なうことができるものとして期待されている
。このバイオセンサーにおいては、上記感応性物質を上
記ゲート絶縁膜表面に直接固定化することは困難であり
。

従って、上記の高分子薄膜を介して感応性物質の固定化
が行なわれる。そこで高分子薄膜の選択が。

バイオセンサーの性能に大きな影響を及１デす。

該高分子薄膜としては、メタクロレインをプラズマ重合
させたもの（を子通信学会技術研究報告８４巻２５７号
２３〜２８頁、１９８５年）、ポリバラキシリレンを真
空蒸着したもの（特開昭５９−２０３９５１号公報）、
〔ス２〕バランクａファンを気相熱分解して形成された
ポリバラキシリレンフィルム（ｔＰ！ｆ開昭５４−１６
１９９２号公報）などが知られている。

（発明が解決しようとする問題点）前記のメタクロレインのプラズマ重合膜は、プラズマ重
合中に、メタクロレインに帰因する酸素原子がプラズマ
ガス中に発生し、これによって重合反応が抑制され、高
密度に架橋した高分子薄膜が得られず、このために水溶
液中に浸漬して使用する場合、該薄膜が剥離しヤすい。

また、形成されたプラズマ重合膜ンこ上記酸素原子に由
来する極性基が膜表面だけでなく膜中にも導入されるた
め。

バイオセンサーの１史用にあたって、該プラズマ重す−
の感贋が低下する。

ポリバラキシリレンを真空蒸着し次薄膜は、この薄膜の
形成時ＶＣａｍに曝さなければならないために熱劣化に
よる低分子量化が起こり、また、ゲート絶縁＠表面への
付着力が小さく、さらに、真空蒸着法では平滑な薄膜が
得られないために、実用上多くの問題点を有している。

〔ス２〕バラシクロフγノを気相熱分解して形成された
ポリパラキシリレンフィルムは、主に鎖状の分子からな
り、架槁督度が極めて小さく、このため被測定溶液に対
する安定性が小さい。

（問題点を鱗決するための手段）本発明は、電界効果トランジスタのゲート絶縁膜表面に
、ベンゼン、トルエン及びキシレンからなる群から選ば
れる少なくとも一種の化合物をプラズマ重合させて形成
した高分子薄膜に、生体感応性物５！１ヲ固定化してな
るバイオセンサーに関する。

本発明において電界効果トランジスタとしては従来知ら
れているものが使用でき１例えば、％開昭５１−１３９
２８９号公報、特開昭５４−６６１９４号公報に示され
るようなものがある。該電界効果トランジスタのゲート
部には、５ｉ０２等の絶縁膜を有するもの、該絶縁膜上
にさらに５ｉｚＮ４膜を有するものがある。電界効果ト
ランジスタとしては。

例えば、従来、イオン感応型電界効果トランジスタ（Ｉ
ＳＦＥＴ）として知られているものが使用できる。

本発明においては、電界効果トランジスタのゲート絶縁
膜表面に、ベンゼン、トルエン又はキシレンのプラズマ
重合膜が形成される。ここで、キシレンとしては、オル
ト・キシレン、メタ・キシレン又はパラ・キシレンが使
用される。

プラズマ重合法は１次のようにして行なわれる。

用いられる装置としては、容量結合型、誘導結合型、外
部電極型及び内部電極性のうちいずれを用いてもよく、
電界効果トランジスタを固定する基板ホルダーが十分に
接地（アース）されており。

かつ、ヒーター等によって加熱可能なものが好ましい。

電界効果トランジスタは、ゲート周辺部、特に電極部が
樹脂、ガラス等で被覆されているものが好ましい。

プラズマ重合は、従来知られた方法から適宜選択して行
なうことができるが２例えば、ベンゼン。

トルエン又はキシレンを１０〜１５ｃｃ／分、装置内圧
力が０．１〜０．３５トールになるように導入し。

族１！電力が５〜１０Ｗであるような条件で行なわれる
。この場合１重合時間は１〜５分間で十分でアル。ベン
ゼン、トルエン又ハキシレンハ、ニードルパルプ等を通
して装置内に導入される。

高分子薄膜の４濾は、１０μｍ以下が好ましく。

特に１００Ａ〜１μｍが好ましいが、ピンホールを生じ
ない程度で薄くできる。また、この厚さが大きすぎると
感度が低下しやすい。

電界効果トランジスタは、上記プラズマ重合前に９次の
ように、前処理しておくのが好ましい。

すなわち、電界効果トランジスタを基板ホルダーに設置
後、装置内を１０４トール（Ｔｏｒｒ）程度に減圧し、
基板ホルダーを５０〜６０°Ｃに加熱して。

該トランジスタ表面及び装置内の脱ガスを行ない。

次いで、アルゴンガス等の不活性ガスを１０〜２０ｃｃ
／分程度の流速で導入し、装置内の圧力を０．１〜０．
４ト一ル程度に保って、高電圧下に、アルゴンプラズマ
を発生させて、電界効果トランジスタのゲート絶縁膜表
面をアルゴンプラズマでエツチング洗浄する。

電界効果トランジスタのゲート絶縁膜表面に形成された
高分子薄膜への生体感応性物質の固定化は、徨々知られ
た方法を採用することができるが。

共有結合的に行なうのが好ましい。共有結合的な固定化
は、上記高分子薄膜へのＮ）ｈ基、ＯＨ基等の官能基の
導入とこの官能基への生体感応性物質の直接的な又は架
橋剤を介した反応によって行なうことができる。

上記高分子薄膜への官能基の導入は、酸素、水蒸気、窒
素、アンモニア等のガスを含む雰囲気下でのプラズマ処
理によって行なうことができる。

ＮＨｚ基の導入は、ｔ￥ｊに窒素と水素の混合ガス、ア
ンモニアと水素の混合ガス等の雰囲気下に行なうのが特
に好ましい。

ＮＨｚ基の導入は、上記高分子薄膜を有する電界効果ト
ランジスタを、アンモニアガス雰囲気下又は窒素／水素
が１／２（モル比）の混合ガス雰囲気下、０．３）−ル
、ｉｏｏｗでプラズマ処理する方法が具体的に考えられ
９例えば、ジャーナル・オブ・アプライド・ポリマー・
サイエンス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　
ｐｏｌｙｍｅｒ　５ｃｉｅｎｃｅ　）１３巻８０７頁（
１９６９年）に開示される方法を採用することができる
。

固定化されるべき生体感応性物質としては、抗体、抗原
、酵素、微生物、オルガネラ、抗生物質。

大核酸、レセプター等、生体内に存在する物質ｅは生体に
対して何らかの感応性を有する物質である。

本発明に使用される抗体としては、抗アルブミン抗体、
抗免疫グロブリン抗体等のタンパク質に対する抗体、抗
体α−フェノプロティン抗体、抗癌胎児性抗原（ＣＥＡ
）抗体等の癌特異性抗原に対する抗体、抗ＨＢｓ（Ｂ型
肝炎表面抗原）抗体等の病原性ウィルス抗原に対する抗
体、抗インシュリン抗体、抗ｈＣＧ（ヒト絨毛性腺刺激
ホルモン）抗体、抗ステロイドホルモン抗体等のホルモ
ンに対する抗体等がある。

本発明に使用される抗原としては、サイクログロブリン
、マイクロシーム、細胞核等の自己免疫疾患関連抗原、
ＨＢｓのような病原性ウィルス抗原等がある。

また１本発明に使用される酵素としては、卵白リゾチー
ム、グルコースオキシダーゼ、ウレアーゼ、インベルタ
ーゼ、リボプロティンリパーゼ。

ホスホリパーゼＤ、コレステロールエステラーゼ。

β−グルコシダーゼ、ベニシリナーゼ、アデノシンデア
ミナーゼ、シュウ酸脱炭酸酵素等がある。

また９本発明に使用し得る微生物としては、シュードモ
ナス・フルオレセンス（Ｐ　ｓｅｎｄｏｍｏｎａｓＦｅ
ｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ　）等がある。

固定化されるべき生体感応性物質は、抗体、酵素のよう
なタンパク質であれば、その分子鎖末端に存在するα−
アミン基又はカルボキシル基、場合によって分子鎖を構
成するリジン、チロシン又はヒスチジンのそれぞれのε
−アミン基、フェノール性水酸基又はイミダゾール基等
を利用して。

また、その他の生体感応性物質についても該物質に結合
している官能基を利用して、前記高分子薄膜に導入され
た官能基と反応させることができる。

この反応は、前記高分子薄膜の官能基と生体感応性物質
の官能基で、架橋剤を介して又は触媒を用いて直接に行
なうのが好ましい。

架橋剤としては、グルタルアルデヒド、臭化シアン等が
あり、触媒としては、シクロへキシルカルボジイミド、
１−エチル−３−（３−ジメチルアミノプロピル）−カ
ルボジイミド等がある。

固定化反応において、生体感応性物質は適当なモル濃度
及びｐＨの緩衝液又は電解質容液に溶解又は分散させて
使用するのが好ましい。反応は。

この溶液又は分散液に官能基が導入され念高分子薄膜を
有する電界効果トランジスタを浸漬することによって行
なうことができる。

グルタルアルデヒドを用いる反応は９例えば。

次のようにして行なわれる。

官能基としてＮＨ２基が導入された高分子薄膜を有する
電界効果トランジスタを２〜３％のグルタルアルデヒド
水溶液に浸漬し、室温で３０〜６０分間反応させて１次
に、蒸留水で十分に洗浄し。

未反応のグルタルアルデヒドを取り除き、アルダヒド基
導入素子を得ｆ０一方、固定化されるべき生体感応性物
質は、適当な緩衝液、一般には、濃度が０．ＩＭ程度の
リン酸緩衝液（ｐＨ５〜７）にあらかじめ溶解させてお
き、そこへ、上記のアルデヒド基導入素子を浸漬して、
低温（４℃付近）で−晩程度反応させ、濱らに、水素化
ホウ素ナトリウムなどの温和な還元剤を用いて４℃で１
時間反応させることにより生体感応性物質を固定化する
ことかできる。

下反応過程は、以Ｉのようであると考えられる。

体感応性物質の残基を示し、以下においても同様である
。

臭化シアン（ＢｒＣＮ）を用いる反応は９次のようであ
る。

高分子薄膜を被着し、該薄膜をＨｚ　Ｏプラズマ処理な
どして水酸基が導入された電界効果トランジスタをｐＨ
１０〜ｐＨ１１の間に水酸化ナトリウムで調整した臭化
シアン水溶液に２０分程度浸漬し。

上記薄膜にシアノ基（Ｃ−：Ｎ）を導入し９次いで水洗
し、て、未反応の臭化シアンを取り除き、シアン基導入
素子を得る。

一方、固定化されるべき生体感応物質は、０．０５Ｍ程
［のパルビタール（５，５−ジエチルバルビッル酸）緩
衝液（ｐＨ８〜９）にあらかじめ溶解させておく。その
溶液に、シアン基導入素子を浸漬し。

４〜５℃で約２日間反応させると、生体感度性物質が固
定化される。

反応過程は以下のようであると考えられる。

カルボジイミドを用いる反応は次のようにして行々われ
る。０．１Ｍ程度のＮ　ａ　Ｃｌ水溶液（ｐＨ＝７）に
、あらかじめ生体感応物質を溶解させておく。

この水溶液に、ＮＨ１基が導入され九高分子薄膜を有す
る電界効果トランジスタを浸漬し、さらに。

シクロへキシルカルボジイミド等のカルボジイミド化合
物を生体感応性物質に対して１〜２ｍｏ１％程度添加し
て、攪拌しながら、４℃程度で、約２日間反応させると
アミド結合により生体感応性物質が固定される。

反応過程は以下のようであると考えられる。

本発明に係るバイオセンサーを図面を用いて。

測定原理と共に説明する。

第１図は１本発明に係るバイオセンサーの一例とその使
用法を示す模式図である。

シリコン半導体基板１（ｐ型）にソース領域２（ｎ型）
及びドレイン領域３（ｎ型）が警戒されており、ゲート
部に８１０２絶縁層４及びその上に５ｉｓＮ４絶縁層５
が形成されている。５ｉＣｈ絶縁層４及び５ｉｓＮ４絶
縁層５はいずれも１００ＯＡ程度の厚さが好ましい。８
１ｓＮ＜絶縁層には生体感応性物質が結合された高分子
薄膜６が形成されている。

ソース領域２にはソース電極７が、ドレイン領域３には
ドレイン電極８が接続されており、これら両電極は、絶
縁樹脂９及び１０により被覆されている。以上のように
して構成されているバイオセンサーは、上記の生体感応
性物質が結合された高分子薄膜８が被測定試料溶液１１
と接触するようにされ、参照電極１２が正しくバイアス
されていると、上記高分子薄膜８に結合した生体感応物
質と被測定試料溶液１１中の試料の反応又は触媒作用に
応じて溶液と薄膜の界面に生じた電位差が。

ソース領域２とドレイン領域３の間の電導チャンネルの
電導度を変化させ、この変化は電流計１３によってドレ
イン電流の変化として測定できる。

（実施例）次に１本発明の実施例を示す。

実施例１第１図で説明したようなｌ５ＦＥＴ（ゲート部絶縁層表
面を除いて、エポキシ樹脂で封止されている）を内部電
極を有する容量結合型プラズマ重合装置の反応器内の基
板ホルダ（下部電極上に設置しである）に固定した後、
系内を約１０−’）−ルに減圧し、同時に基板ホルダを
５０℃に加熱して１０分間脱ガス操作を行なった。次に
系内にアルゴンガスを流ｔ２０ＳＣＣＭ、系内の圧力が
０．４０）−ルになるように導入してアルゴンプラズマ
を発生させ、ｌ８ＦＥＴ表面を５分間処理した。次に、
あらかじめ通常の操作で脱気したキシレンのガスを流量
１５８ＣＣＭ、系内の圧力が０．３５）−ルになるよう
に導入して、電極間距離２０ｍｍ、電力＆５Ｗ９周波数
６４ＫＨｚ（正弦波）で１分間プラズマを発生させた。

その結果。

ｌ５ＦＥＴゲ一ト部分に約１００ＯＡのキシレンのプラ
ズマ重合Ｆ（高分子薄膜）が形成された。

ひきつづき、系内に、ＮＨ３のガスを流量２０８ＣＣＭ
。

系内の圧力が０．４０）−ルになるように導入し。

出カフＷで１０分間プラズマで処理を行なった。

プラズマ処理後、プラズマを止めた後系内を一旦約１０
−’　）−ルに減圧し、同時に基板ホルダを１５０℃に
加熱し、３時間アニーリング処理を行なった。

これとは別に、０．１Ｍ　ＮａＣｌ水溶液に濃度が４０
０μ９／ｍｌになるように卵白リゾチームを溶解した溶
液を作っておき、１−エチル−３−（３−ジメチルアミ
ンプロピル）−カルボジイミドを適当量添加した後、ア
ニーリング処理を行なつ九高分子薄膜を有するｌ５ＦＥ
Ｔを浸漬した。この状態で、溶液を攪拌しながら、約２
日間放置し。

高分子薄膜表面に卵白リゾチームを固定化し、洗浄して
バイオセンサーヲ得り。

このバイオセンサー−ｔ　０．　Ｉ　Ｍ塩化ナトリウム
溶液１０ｃｃに浸漬し、第１図に示すような測定原理に
基づき、参照電極及び電流計を接続しておき。

０、３　ＭのＮ−アセチルグルコサミン（ＮＡＧ）水溶
液５ｃｃを滴下した。この０．３　Ｍ　−Ｎ　Ａ　Ｇ水
溶液滴下前後の電流計の変化から、バイオセンサーのゲ
ート電位の変化を求めた結果を第２図に示す。

太い矢印が０．３　Ｍ　−Ｎ　Ａ　Ｇ水溶液滴下時点を
示す。

また、上記で得たバイオセンサーを上記と同様に０．１
Ｍ塩化ナトリウム溶液に浸漬し、０．３ＭのＮＡＧ水溶
液を所定濃度になるように添加し、この間のゲート電位
の変化量を求めた。この結果を第３図に示す。この結果
から明らかなように、ゲート電位の変化量とＮＡＧ濃度
（対数表示）の間に対応関係があることがわかる。

なお、上記の電流及び電位の変化は、卵白リゾチームと
Ｎ−アセチルグルコサミンの結合反応に帰因すると考え
られる。

比較例１実施例１で、キシレンにかえてメタクロインを原料に用
いた以外は、同様の条件で作成したセンサについて０．
１ＭＮ３Ｃ１溶液中に浸漬して、Ｎ−アセチルグルコサ
ミンＮＡＧの測定を行なったが。

測定中のノイズが大きく有意な電位変化が観測できなか
った。

さらに、測定開始後、１分程度で、センサをとり出し、
光学顕微鏡で表面を観測したところ、膜が一部けがｔて
いるのがわかった。

（発明の効果）本発明に係るバイオセンサーは、酸素に対スる安定性、
平滑性及び付着性に優れた高分子薄膜がが固定化されて
いるため、センサーとしての性能が優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は９本発明に係るバイオセンサーの一例及びその
使用法を示す模式図、第２図は実施例１で作製したバイ
オセンサーにおけるＮ−アセチルグルコサミンによるゲ
ート電位の変化を示すグラフ並びに第３図は実施例１で
作製したバイオセンサーにおけるＮ−グルコサミン濃度
に対するゲート電位の変化を示すプロット及びグラフで
ある。符号の説明

Claims

【特許請求の範囲】

１、電界効果トランジスタのゲート絶縁膜表面にベンゼ
ン、トルエン及びキシレンからなる群から選ばれる少な
くとも一種の化合物をプラズマ重合させて形成した高分
子薄膜に生体感応性物質を固定化してなるバイオセンサ
ー。