JPS63231257A - バイオセンサ及びその製法 - 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】 〔概　要〕 信号変換部のゲート表面をアミノ基含有シリコン化合物
を用いたラングミュア−ブロジェット法により、均−性
及び吸着性にすぐれたものに改質した後、酵素を吸着固
定して作製されるバイオセンサが開示される。本発明で
は、酵素が高密度かつ安定に固定された超薄膜が作製さ
れるので、高感度で、応答速度が早くかつ安定なバイオ
センサが提供される。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、バイオセンサ及びその製法に関する。

本発明のバイオセンサは、さらに詳しく述べると、例え
ばｌ５−ＦＥＴ（イオン感応性電界効果型トランジスタ
）のような半導体素子を信号変換部（トランスデューサ
）として使用し、これに分子識別部（レセプタ）として
の固定化酵素膜を組み合わせたもの、いわゆる半導体バ
イオセンサである。本発明によるバイオセンサは、医療
、発酵工業、生化学の研究等の分野において、酵素学的
に特定の物質や化学種を検出するために有利に使用する
ことができる。

〔従来の技術〕

周知の通り、信号変換部としてＩｓ　−ＦＥＴを使用し
たバイオセンサの開発が、小型化、集積化、微量測定可
能等の利点から進んでおり、また、同時に、かかる半導
体バイオセンサにおいて分子識別部として使用する固定
化酵素膜の開発も活発化している。

ところで、バイオセンサの作製に当って、ｌ５−ＦＥＴ
のゲート表面上に酵素が高密度かつ安定に固定された薄
膜、すなわち、固定化酵素膜を形成する必要があり、ま
た、実際に酵素固定化法は非常に重要である。酵素固定
化法として、一般的に用いられている方法はウシ血清ア
ルブミン（ＢＳＡ）−グルタルアルデヒド架橋法である
。この方法は、化学的結合によって酵素を固定化するも
ので、例えば、ウシ血清アルブミン、グルタルアルデヒ
ド及び酵素の混合溶液を分子識別部形成部位にスピンコ
ードし、乾燥することによって行うことができる。この
方法では、アルブミン及び酵素中のＮＨ，基とグルタル
アルデヒドのＣ１０基とが反応して架橋し、また、アル
ブミンは天然高分子なので、かなり均質な固定化酵素膜
が形成される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

一般的に広く用いられているＢＳＡ−グルタルアルデヒ
ド架橋法であるが、解決されなければならない問題点を
いくつか有している。第１に、形成される固定化酵素膜
の膜厚が太き（なり、感度や応答感度が低下することが
それである。第２の問題は、ゲート表面からの固定化酵
素膜の剥離である。この第２の問題は、ゲート表面を予
め表面活性化処理することによって回避することができ
るけれども、この処理がまた別の問題をひきおこす。す
なわち、表面活性化処理は、通常、Ｉｓ　−ＦＥＴの絶
縁膜である窒化珪素（ＳｉＪ４）の表面をＴ−アミノプ
ロピルトリエトキシシラン（γ−八へＴＥＳ）で化学修
飾して、官能基を導入することによって行われるけれど
も、製造工程がかなり複雑となる。

加えて、この方法は、グルタルアルデヒドの架橋中に酵
素が失活するという望ましくない傾向にある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記した問題点は、本発明によれば、信号変換部のゲー
ト表面上に固定化酵素膜が被覆されているバイオセンサ
であって、アミノ基が前記固定化酵素膜側に高密度かつ
規則正しく配列された有機単分子膜を介して前記固定化
酵素膜がゲート表面上に被覆されていることを特徴とす
るバイオセンサによって解決することができる。

本発明の有機単分子膜は、好ましくは、アミノ基含有シ
リコン化合物を用いたラングミュア（Ｌａｎｇｍｕ　１
ｒ）−ブロジェット（Ｂｌｏｄｇｅｔｔ）法（以下、Ｌ
Ｂ法と記す）によって形成されたものである。

すなわち、本発明では、ＳｉＯ□、Ｓｉ３Ｎ４．＾Ｘ２
Ｏ３゜ＩｒＯ，、Ｔａｇ、などからなるｌ５−ＮＥＴの
ゲート表面をＬＢ法を利用して均一で吸着性にすぐれた
ものに改質するため、上記有機単分子膜（ここではＬＢ
膜とも記す）を形成したものである。

本発明のバイオセンサは、信号変換部のゲート表面にア
ミノ基含有シリコン化合物の単分子膜をラングミュア−
ブロジェット法により作製し、前記単分子膜を加熱して
前記ゲート表面に化学的に結合せしめ、さらに前記単分
子膜を酸処理して前記アミノ基含有シリコン化合物のア
ミノ基を前記固定化酵素膜側に露出させ、引き続いて前
記固定化酵素膜を被覆することを特徴とする方法によっ
て製造することができる。

本発明においてＬＢ膜の形成に用いることのできるアミ
ノ基含有シリコン化合物は、例えば、次式により表わさ
れる両親媒性シリル化合物である：０Ｒ ＩＩ　　　　　　Ｉ Ｒ’−ＣＮ−ＣＩ（ｚｃＨ２ｓｉ−Ｒ １（］ ０　　　　　　　０　　　　　　　　ＲＩＩ　　　　　
　　ＩＩ　　　　　　　Ｉ００　　　　　　　　　　Ｒ １１１１、Ｉ ＲＬＮＣ−ＣＨｚＣｔｈＣＮ−ＣＨｚ−ＣＨｚ−３ｉ−
ＲＣＨ，Ｒ なかんずく、次式により表わされる両親媒性シリル化合
物が有利である： 上式において、Ｒは例えば−〇〇ｚＨｓなどの低級アル
コキシ基であり、そしてＲ′は例えばＣＨ３（ＣＨ２）
　ｌ　？などのような長鎖アルキル基である。

〔作　用〕

本発明によるｌ５−ＦＥＴのゲート表面の改質は、第２
図に段階的に図示されるようにして行う。

最初に、以下に説明する第１図（Ｂ）のようにしてＬ　
Ｂ法を実施すると、第２図（Ａ）に示されるように、Ｓ
ｉＯ□膜５と５ｉＪ４膜６とからなるゲート絶縁膜のゲ
ート表面上に両親媒性シリル化合物（前記した）からな
る単分子膜が形成される。次いで、この単分子膜を加熱
すると、第２図（Ｂ）に示されるように、シリル化合物
が重合するとともに、ゲート表面に化学的に結合（共有
結合）し、安定化する。加熱処理後、単分子膜を酸処理
すると、アミド結合の加水分解の結果としてシリル化合
物のアミノ基が固定化酵素膜側に露出する。露出せるア
ミノ基は、第２図（Ｃ）に示されるように高密度でかつ
規則正しく配列されているので、それを有するゲート表
面は均一で吸着性にすぐれたものとなる。

ゲート表面の改質後、ｌ５−ＦＥＴを酵素水溶液に浸漬
すると、酵素の分子がゲート表面上の単分子膜のアミノ
基とイオン結合し、その結果として酵素が高密度かつ安
定にゲート表面上に吸着せしめられ、所望とする酵素固
定化膜が形成される。この酵素膜は、極めて薄く、かつ
イオン結合を介して強くゲート表面に固定されているた
め、剥離しにくく安定である。

〔実施例〕

本発明において半導体バイオセンサの作製に用いられる
ＩＳ　−ＦＥＴは、例えば、第１図（Ａ）に断面で示さ
れる構造を有することができる。図示のｌ５−ＦＥＴ　
１は、水溶液中の水素イオン濃度（ｐＨ）を測定するた
めに開発されたもので、ｐ型シリコン２上にその熱酸化
によって形成された酸化珪素（ＳｉＯ□）膜５、そして
窒化珪素（ＳｉｆｆＮ４）膜６を有している。ＳｉＯ□
膜５とＳｉＪ＋膜６はゲート絶縁膜として機能する。シ
リコン基板２にはソース領域３及びドレイン領域４が設
けられている。

第１図（Ａ）のｌ５−ＦＥＴに固定化酵素膜を組み合わ
せることによって、いろいろなタイプのバイオセンサー
を作製することができる。例えば、ウレアーゼ（尿素分
解酵素）とｌ５−ＰＥＴのゲート表面に吸着せしめるこ
とによって、いわゆる尿素センサを作製することができ
る。この作製例を以下に、第１図（Ｂ）及び（Ｃ）を参
照しながら説明する：次式の両親媒性シリル化合物： 。）１３．。Ｈｚ）＋Ｚ　　　　　” ｏｃｚｉ＋ｓ のクロロホルム溶液（濃度２．８７Ｘ１０−”Ｍ）を調
製した。次いで、この溶液を純水の表面に展開したとこ
ろ、上記シリル化合物の単分子膜が形成された。次いで
、市販のＬＢ法装置を使用して、第１図（Ｂ）に示され
るようにしてｌ５−ＦＥＴ　１を上下させた。純水７上
に展開していた単分子膜（ＬＢ膜）８がｌ５−ＦＥＴ　
１のゲート表面上に付着した。

ＬＢ膜の形成後、ｌ５−ＦＥＴを１１０°Ｃのオーブン
中で２時間にわたって処理したところ、膜のシリル化合
物が重合するとともに、ゲート表面に共有結合した。そ
の後、Ｉｓ　−ＦＥＴを２ＮＨ（１（５０℃）溶液中に
浸漬して酸処理したところ、シリル化合物のアミド結合
が加水分解し、そのアミノ基が露出した。以上の一連の
操作によって、アミノ基が高密度に配列した吸着性にす
ぐれたＬＢ膜をゲート表面に有するＩｓ　−ＦＥＴが得
られた。

引き続いて、得られたゲート表面改質ＩＳ　−ＦＥＴを
１％のウレアーゼを含む０．１Ｍリン酸緩衝液（ｐＨ＝
７）中に浸漬したところ、ｌ５−ＦＥＴのゲート上にウ
レアーゼが吸着固定されて尿素センサが出来あがった。

センサの断面を第１図（Ｃ）に示すけれども、図中の９
が固定化酵素膜であり、ＬＢ膜は簡略化のために省略さ
れている。

上記のように作製した尿素センサは、従来型の尿素セン
サと比較して、固定された酵素量に対するバイオセンサ
としての感度が約２倍、そして応答速度が約１．５倍で
あった。また、このセンサの固定化酵素膜はゲート表面
に強力に結合しており、３０分間の超音波処理によって
も剥離せず、安定なままであった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ＩＳ　−ＦＥＴのゲート表面上に酵素
が高密度かつ安定に固定された極薄の薄膜を形成するこ
とができるので、高感度で、応答速度が速くかつ安定な
バイオセンサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、バイオセンサの製造工程を順を追って示した
断面図、そして 第２図は、Ｉｓ　−ＦＥＴのゲート表面の改質を順を追
って示した略示図である。 図中、１はｌ５−ＰＥＴ　、５は５ｉＯｚ膜、６は５ｉ
１Ｎ４膜、８はＬＢ膜、そして９は固定化酵素膜である
。 ■　　Ｕつ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、信号変換部のゲート表面上に固定化酵素膜が被覆さ
   れているバイオセンサであって、アミノ基が前記固定化
   酵素膜側に高密度かつ規則正しく配列された有機単分子
   膜を介して前記固定化酵素膜がゲート表面上に被覆され
   ていることを特徴とするバイオセンサ。 ２、前記有機単分子膜が、アミノ基含有シリコン化合物
   を用いたラングミュア−ブロジェット法により形成され
   たものである、特許請求の範囲第１項に記載のバイオセ
   ンサ。 ３、信号変換部のゲート表面上に固定化酵素膜が被覆さ
   れているバイオセンサを製造する方法であって、前記ゲ
   ート表面にアミノ基含有シリコン化合物の単分子膜をラ
   ングミュア−ブロジェット法により作製し、前記単分子
   膜を加熱して前記ゲート表面に化学的に結合せしめ、さ
   らに前記単分子膜を酸処理して前記アミノ基含有シリコ
   ン化合物のアミノ基を前記固定化酵素膜側に露出させ、
   引き続いて前記固定化酵素膜を被覆することを特徴とす
   るバイオセンサの製法。