JPS62294085A - 有機薄膜、その製造方法および有機薄膜を利用した素子 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高度に分子配向した有機物質上に、化学修飾
により有機化合物、生体関連物質、細胞微生物を固定化
した有ａ７ｊｉ膜及びその製造方法に関している。その
具体的な応用例としては、このような有ｉ薄膜を用い、
物質の吸着または結合による電位変化、重量変化によっ
て、目的物質を定量する素子に関している。

〔発明の概要〕

本発明は、基板上に有機化合物、生体関連物質細胞、微
生物を固定化する方法に関している。この方法は、有機
物質を適当な有機溶媒たとえばベンゼン、クロロホルム
などに溶解し、水面上に展開する。ここで使用される有
機物質は適当な親水基、疎水基を分子内に有することに
より、親水性、疎水性の両親媒性を有するべきであろう
。本明細書における親水性は水を引きつける性質を意味
する。典型的には親水基としては、−Ｃｏｏｌ、　　−
０１）゜−ＮＴｏ、　−ＣＮ、　　−３Ｏ３Ｈ，−ＮＲ
３１−５Ｒ２，−５ｉ（ＯＲｈ。

−３ｉ（ＯＲ）　Ｊ　、　−Ｓｔ　（ＯＲ））Ｉｔ　、
　　（Ｒはアルキルまたはアリール＞　、−ｐｏ、およ
び−５ＯＣＨ３がある。また、本明細書における疎水性
とは水に反Ｉ８する性質を意味し、典型的な疎水基とし
ては炭化水素鎖がありこのものは普通綿状アルキル基で
あるが、分岐アルキルもしくは線状ポリアセチレン鎖、
あるいは芳香族環であってもよい。アルキル基は異原子
基、例えば、Ｏ，ＮＨ、Ｓ　、　Ｓｏ□を有していても
よい。

明細書における官能基は前記親水基および−ＣＯＨ。

−ＣＯＯＲ，−Ｃ≡Ｃ−、−Ｃ≡Ｃ＋　−ＣＸｌｈ　、
　−ＣＸＪ、　−ＣＸ３　　（Ｘはハロゲン）のことを
さす。

水面上に展開した有機物質に表面圧を加えることにより
、分子配向した有ｖａＦＪＩ膜を水溶液−気体界面上に
形成する。この方法はラングミュア−ブロジェット膜と
して公知の手法である。

本発明は、この分子配向した有機薄膜を基板に移し取る
方法を以下のように行う。有機物質がＡ−Ｂ−Ｃ（Ａは
親木基、Ｂは疎水基、Ｃは官能基）の構造のものは有機
物質が並んだ水面を垂直に上下させることで官能基が表
面を被覆するように基板上に移し取る。

有機１ｌ１７１質がＡ−ＢあるいはＣ−Ｂの構造のもの
は水面に垂直に上下させるが、ただし水中から引き上げ
る時には水面上の有機物質を取り除いてから引き上げる
、あるいＳよ基板を水面に平行に降下し水面上の有機物
質と接触したところで基板を止め、その後基板を静かに
上昇させることで水面上の有機物質を官能基が表面を被
覆するように基板上に移し取る。

このようにして基板上に官能基が表面を被覆するように
有機分子配向膜を形成した後、有機分子配向膜の官能基
と結合する官能基を有する有機化合物、生体関連物質、
細胞、微生物を固定化する。

固定化には通常の化学修飾法を用いる。このようにして
固定化されたものは、下地が高密度の有機分子配向膜で
あるため、配向性を有し高密度で固定化することが可能
である。（第１図）本発明は種々の異なる応用素子とし
て用いることができる。例えばバイオセンサーが提供さ
れる。

バイオセンサーにおいては、検出生体関連物質を高精度
で測定することが必要であり、本発明による機能性有ａ
薄膜を用いることで生体関連物質を高密度にトラップす
ることができ電位を測定する、あるいは水晶振動子の発
振周波数の変化を測定することで高精度のバイオセンサ
ーを可能とした。

〔従来の技術〕

有機化合物を基板に付着させる技術は化学修飾として知
られ、ａ化性物質を溶媒に溶解し塗布する、あるいは高
分子膜をコートし、それに機能性物質を包含させる（Ｊ
、Ｊａｎａｔａ、　Ｊ、Ａ＋ｎ、Ｃｈｅｍ、Ｓｅｃ、　
９８＋７８５０　（１９７６）等がある。

また、生体関連物質の固定化法としては、共有結合法、
包括法、架橋化法、吸着法などがある。

（０，Ｚａｂｏｒｓｋｙ（ｅｄ）、Ｉ１８ｍｏｂｉｌｉ
ｚｅｄ　Ｅｎｚｙｍｅｓ、ＣＲＣＰｒｅｓｓ　（１９７
３）　） 〔発明が解決しようとする問題点〕 従来の有機化合物、生体関連物質の固定化する方法は、
有ａ溶媒に溶解しａ布またはデイツピングする。あるい
は高分子中に包含することであり有機化合物あるいは生
体関連物質の構造が乱雑である、表面を被覆している四
が少ない、結合力が弱い等の問題を有している。

そのため、バイオセンサーに応用する場合、精度が悪い
、感度が悪い、再現性がよくない等の問題が生じている
。

〔問題点を解決するための手段〕

基板上に、ＬＢＩＩ！Ｊの手法を用い、官能基が表面を
被覆するようにして有機薄膜の形成した。ＬＢ膜の手法
を用いているため、この有機薄膜は高度の分子配向をし
たものであり、無欠陥に密集した形で官能基が表面を被
覆している。これに化学処理によって有機化合物、生体
関連物質等を固定化する。

〔作用〕

下地がＬＢ膜の手法を用いている高度に配向した膜であ
るため、固体化された有機化合物、生体関連物質も配向
性をもつことが可能であり、しかも高密度、８！！械的
強度の強い機能性有機薄膜が可能となった。

この機能性有機薄膜を、バイオセンサーに用いると、高
精度、高怒度、再現性の良好な測定ができるようになっ
た。

〔実施例〕

以下にこの発明の実施例を図面に基づいて説明する。

（実施例１） 第１図に本発明により作製した機能性有機薄膜を示す、
この作製法を下記に記す。

有機物質としてアラキシン酸（ＣＨｓ−（ＣＨｚ）＋ｅ
ＣＯＯＨｌをベンゼンに溶解し、１　ｘ　１　ｏ−’Ｍ
温溶液作製した。第２図に示した装置の水槽４に水５を
満たし、バリア６を水槽の右端に設置する。前記ベンゼ
ン溶液を３００μｌ水面上に滴下する。ベンゼンが展開
剤として働き、水面上にアラキシン酸が広がる。ベンゼ
ンが蒸発した後、バリアをおちり７によって引っ張り一
定圧とする。この実施例では１０ｍＮ／ｍとなるようお
もりをぶらさげた。

こうすることにより水面上のアラキシン酸分子は水面と
垂直で官能基である一ＣＯＯＩ＋を水面上に位置し、高
度の分子配向した有機配向膜をする。この有機配向分子
を基板に移し取るには、基板を水面に垂直に上下させる
ことにより基板に移し取る方法がある。（第３図）　こ
の方法であると、アラキシン酸の場合は基板の上昇、下
降ともに付着するので、通常、引き上げた時には官能基
は表面に出ない。しかし、水中に降下させた時には官能
基が表面に出た状態にあるので、そこで水面上のアラキ
シン酸を取り除き、４＋ｕを引き上げることにより官能
基が表面に出た状態で基板に（多し取ることができた。

次にその上に有機化合物の固定化を行った。有機化合物
にはカルボジイミドを用いた。ｐＨ７，０のリン酸バッ
ファー中に５ｍｇ／ｍ　１の４度になるようにカルボジ
イミドを？８解した。この溶液中に前記処理した基板を
浸し、２０℃３時間攪拌することでカルボジイミドを固
定化することができた。このように作製した機能性有１
ａ薄膜は高密度で高い分子配向性を実現できた。

（実施例２） アラキシン酸を用い実施例１と同様の手法を用い、水面
上にアラキシン酸分子を高度に配向させた。この有機分
子配向膜を第４図に示すように基板に移し取った。バリ
アから基板に移し取る分子が占有する面積だけ間をあけ
、もう−木のバリ７６′を設置する。そこに基板を水面
と平行に下降させ、配向有膜分子と接触したところで停
止する。

次に基板を上昇させると、二本のバリア間の配向有機分
子は基板に構造を維持したまま移し取ることができる。

しかも官能基は表面に出た状態となる。このものにＮ−
シクロへキシル−Ｎ′−２−モルホリニル−エチルカル
ボジイミド（ヘラはシクロヘキシル基を示す）を反応さ
せることで固定化することができた。このように作製し
た有機薄膜は実施例１と同様高密度で高い分子配向性を
実現できた。

（実施例３） ＣＨ３−（Ｃｔｈ）　＋　５−ＮＨｘを用い実施例１と
同様な手法を用い水面上に有機分子配向膜を形成した。

これを実施例２と同様の方法により基板上に移し取った
。

このようにして作製した有機分子配向膜は基板表面を−
ＮＨ，が覆う形で形成できた。このように形成した基板
を１０％グルタルアルデヒド水溶液中２０℃で３時間攪
拌することで固定化することができた。

（実施例４） 実施例３で作製した有機薄膜をさらにｐＨ７，０のリン
酸パンファー中、１）１ｇ／■ｌのグルコースオキシダ
ーゼ中で処理することでグルコースオキシダーゼを固定
化できた。このような手法で固定化した酵素などの生体
関連物質は、高密度に固定化することができた。

（実施例５） 次にガラスに酸化インジウム電罹が被覆された基板上に
有機薄膜形成を行った。実施例１と同様にしてステアリ
ン酸（ＣＩｌｚ−（ＣＨｔ）＋ａ−ＣＯＯＩＩＩの有機
配向膜を水面上に形成した。基板を垂直に２往復させる
ことで４Ｆｉ！！のステアリン酸を付着することができ
た。次に実施例１と同様にしてステアリルアミドの有機
配向膜を形成した。前記ステアリン酸を４Ｆ！付着した
ものを、ステアリルアミドの有機配向膜上に水平に付着
させステアリルアミドの有機配向膜を形成した。さらに
５％グルタルアルデヒド溶液中で３時間処理した。この
後、１　ｗｇ／ｍｌｌのプロティンＡ溶液に１時間浸漬
して、プロティンＡの固定化を行った。下地が高密度で
しかも高配向であるため、固定化されたプロティンＡも
高密度に修飾することができた。

（実施例６） ｗ−）リコセン酸を実施例１と同様に水面上に有機配向
膜を形成した。実施例２と同様な手法で基板上に移し取
り、電子線照射により重合を行った。こうして形成した
有機配向膜は−ＣＯＯＨを表面に出し、しかも重合して
いるため基板との密着強度、耐熱性も大幅に向上する。

５　ｍｇ／ｍβカルボジイミドン容；夜中に浸ン責し、
２０℃、３時間攪拌することでカルボジイミドを固定化
した。こうすることにより、分子配向を有し、高密度、
高強度、高耐熱性の有ａＥ膜が形成できた。

（実施例７） ＣＨ３−（ＣＨｚ）　＊−ＣａＣ−ＣＩＣ−（ＣＩ（ｚ
）　５−Ｃ０ＯＨ・を実施例１と同様の方法で水面上に
有機配向膜を形成した。実施例２と同様の手法で基板に
移し取った。窒素雰囲気中で紫外線照射し重合する。Ｎ
−シクロへキシル−ＮＬ−２−モルホリニル−エチルカ
ルボジイミドを反応させることで固定化した。さらに１
ｍｇ／ｍ　１のプロティンＡｔ容、゛夜に１時間浸漬し
て、プロティン八を固定化した。ジアセチレン化合物は
筒便に重合ができ基板との密着強度を高めることができ
、高密度、高配向の有機薄膜が形成できた。

（実施例８） ＣＩｌｚ−（ＣＨｚ）＋１−ＣａｒＣ−Ｃ恒Ｃ−（ＣＨ
２）　５−ＮＬを実施例１と同様の方法で水面上に有機
配向膜を形成した。

これに窒素雰囲気中で紫外線照射することで重合した。

この重合膜を実施例２と同１Ｍの手法で基板に移し取り
、Ｎ−シクロへキシル−Ｎ’−２−モルホリニル−エチ
ルカルボジイミドを反応させ、さらに抗ヒ）ＩｇＧ抗体
溶液に１時間浸漬し固定化した。実施例７と同様、密着
強度が高く、高密度。

高配向の有機薄膜が形成できた。

（実施例９） ＣＯＯＨ−（ＣＨｚ）　ｌｌ−Ｃ遺Ｃ−ＣＩＣ−（ＣＨ
２）　８−Ｎｌ２を実施例１と同様の方法で水面上に有
機配向膜を形成した。

このものは水面上に−ＣＯＯ１）が位置して水面と垂直
とこ配向することができた。水面に垂直に基板を上下さ
せることで表面に−Ｎ１）□が出た形で有機配向膜が形
成できた。このものを紫外線によって重合し、次にグル
タルアルデヒド５％水溶液で３時間反応させ、その後、
カンシタ抗体を滴下し３０分装置し、抗体の固定化を行
った。

このようにして作製した有ａｌ膜は、密着強度が高く、
高密度、高配向の有機薄膜が形成できた。

（実施例１０） 電極上に本発明による有機薄膜を形成することで、有機
薄膜への物質の吸着または結合で生じる電位変化を利用
して、目的物質の■または濃度の測定あるいは検出が行
うことができる。その一実施例としてヒトＩｇＧの測定
について述べる。

電極基板を用い実施例８の有ａ薄膜を形成した。

これをセンサーとして、ヒト夏８Ｇの測定を行う。

測定のシステムを第５図に示すが、参照電極８とセンサ
ー７を、ｐＨ７，０のリン酸バッファー中に浸し、エレ
クトロメーター１０で電位の測定を行う。この電位をＥ
ｏとし、次に測定溶液９中での電位Ｅｌを測定し、電位
差ΔＥを求める。測定溶液をリン酸バフファー中、ヒ目
ｇＧの濃度を変えた時のΔＥを表１に示す。ヒ）ＩｇＧ
濃度に依存して電位差が変化するととがわかり、精度よ
り測定が可能になった。また、測定後ｐＨ２，８グリシ
ンー塩酸溶液で洗浄することで再度使用することができ
た。

表１ （実施例１）） 水晶振動子上に電極が形成された基板を用い、本発明に
よる有ｍ３ｒ１９．を形成することで、有ａ３膜への物
質の吸着または結合で生じる重量変化による発振周波数
の変化を利用して、目的物質の量または濃度の測定ある
いは検出が行うことができる。その一実施例としてカン
ジダ菌測定について述べる。

水晶振動子上に電極が形成された基板上に、実施例９の
有機薄膜を形成した。これを水晶振動子センサーとして
、カンジダ菌の測定を行う。まずＣ００Ｈ−（Ｃ１ｈ）
　５−ＣｊｉＣ−ＣＩＣ−（ＣＨｚ）　＊−ＮＨｚを実
施例９に従って水晶振動子上に電極が形成された基板上
に形成し、紫外線によって重合する。

水洗し乾燥させ基準の発振周波数Ｆ１を測定する。

測定は第６図に示すようにリード線１）を発振回路１２
に接続し周波数カウンター１３を用いて行った。次にグ
ルタルアルデヒド５％水？′？Ｉ液で３時間反応させ、
その後、カンジダ抗体を電極上に滴下し３０分放置し抗
体の固定化を行った。さらに ０．１Ｍグリシンで３０分間未反応のアルデヒド基の処
理を行った。

このようにして作成された本発明によるカンジダ測定用
水晶振動子センサーの作用を説明すると、まず該センサ
ーを０．５ＮＮａＣ１溶液で洗浄し、その後、被検液で
あるところのカンジダ菌溶液に浸漬する。３０分間放置
し再度０．５ＮＮａＣ１で洗浄し、発振周波ＢＦ２を測
定した。表２は種々のカンジダ菌濃度の被検液を用意し
、それぞれ上述のごとくしてＦ２を測定した後にＦｌ　
とＦ２の差ΔＦ（＝ＦＩ　−Ｆ２　’）をとり、表にま
とめたものである。ここで菌イ；度は血球計数盤を用い
て測定した。

表２かられかるよう発振周波数の変化ΔＦは、微生物濃
度に依存して増加していることがわかり精度よい測定が
可能になった。

表２ 〔発明の効果〕 本発明は以上述べたように、高度に分子配向した有機物
質上に、簡単に化学修飾により有機化合物、生体関連物
質を固定化でき、しかも高密度、高配向性を有する。こ
のような有機薄膜を用いると目的物質を簡単にしかも、
精度良く定量、検知する素子が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による有機薄膜の断面図、第２図は水面
上に有機配向分子を形成する装置を示す図、第３図、第
４図は基板に水面上の有殿配自分子を移し取る模式図、
第５図は電位測定のシステムを示す図、第６図は周波数
測定のシステムを示す図である。 以上

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、この基板に設けた、少なくとも一層の官
   能基が表面を被覆するように形成したラングミュア−ブ
   ロジェット膜と、このラングミュア−ブロジェット膜の
   官能基に固定化された有機化合物あるいは生体関連物質
   とからなる有機薄膜。
2. （２）親水基、疎水基を有する有機物質の簿い層を水溶
   液表面上に形成し、基板をその層を横切って上下させる
   、あるいは付着させることにより、有機物質の極めて薄
   い層を官能基が表面を被覆するようにして基板上に移し
   取り、その上に化学修飾により有機化合物、生体関連物
   質のいずれか一つ、あるいは混合物を固定化することを
   特徴とする有機薄膜の製造方法。
3. （３）基板を繰り返し層を横切って上下させる、あるい
   は付着させることにより、多層膜を基板表面上に累積す
   る特許請求の範囲第２項記載の有機薄膜の製造方法。
4. （４）水溶液表面に形成する有機物質が不飽和結合を有
   し、基板に移し取った後、光照射により重合させる、あ
   るいは水溶液表面に形成後、光照射により重合させ、基
   板に移し取ったものである特許請求の範囲第２項あるい
   は第３項記載の有機薄膜の製造方法。
5. （５）不飽和結合が−Ｃ≡Ｃ−Ｃ≡Ｃ−である特許請求
   の範囲第４項記載の有機薄膜の製造方法。
6. （６）基板と、この基板に設けた少なくとも一層のラン
   グミュア−ブロジェット膜と、このラングミュア−ブロ
   ジェット膜の官能基に固定化された有機化合物あるいは
   生体関連物質とからなる有機薄膜を電極上に形成し、前
   記有機薄膜への物質の吸着または結合で生じる電位変化
   を利用して、目的物質の量または濃度の測定あるいは検
   出することを特徴とする有機薄膜を利用した素子。
7. （７）水晶振動子上の電極と、この電極に設けた少なく
   とも一層のラングミュア−ブロジェット膜と、このラン
   グミュア−ブロジェット膜の官能基に固定化された有機
   化合物あるいは生体関連物質とからなる有機薄膜とから
   なり、前記有機薄膜への物質の吸着または結合で生じる
   重量変化による発振周波数の変化を利用して、目的物質
   の検知および濃度の測定あるいは検出を行うことを特徴
   とする素子。