JPS63238549A - マイクロバイオセンサ - 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〕 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
透過性膜で覆っ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って、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
心になって行われてきた。その典型例としてあげられる
のが、ｌ５ＦＥＴ　、すなわち、イオン惑応性電界効果
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ｌ５ＦＥＴ
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（ポテンショメトリ
ー）しているので怒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酸素電極をト
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、・シリコンウェハを異方性エツチングして溝を形
成させ、真空蒸着により金力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、Ｍｉｙ
ａｈａｒａ、　Ｆ、Ｍａｔｓｕｉ、　Ｓ、Ｓｈｉｏｋａ
ｗａ、　Ｔ、Ｍｏｒｉｉｚｕｍｉ＋１１、Ｍａｔｓｕｏ
ｋａ、　１．Ｋａｒｕｂｅ、　Ｓ、５ｕｚｕｋｉ、　Ｐ
ｒｏｃ、　ｏｆ　ｔｈｅ３ｒｄ　５ｅｎｓｏｒ　Ｓｙｍ
ｐ、、　　Ｉｎ５ｔ、　Ｅｌｅｃｔｒ、　Ｅｎｇ、　Ｊ
ａｐ、、　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
、したがって、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って非常に汎用性のあるトランス
デユーサとなり得ないというものの、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、といった無理がある
ため、そのま＼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だめの手段として
、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
た非液体の電解液含有体と、前記溝の上面を被覆し、そ
の溝内に前記電解液含有体を七１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）溝の形成などをフォトリソグラフィー技術を用い
て行ったこと； （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、そこに
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、行ったこと；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
められている形とすることができる。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、初めは液体状でディップコーティング
あるいはスピンコーティングが可能であり、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（
ＳｉＯ□）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、ネガ型フォトレジストなどを
あげることができる。テフロン（商品名）膜は、酸素透
過性であるといえ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口型であるかガ
ルバニ型であるかに応じているいろに変更することがで
きる。例えば、ポーラ口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、ポーラ口型に
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、１　Ｍ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る
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って行うことがで
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
酸化によってシリコン酸化膜を形成することによって有
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、スパッタリングなどによって有利に行うご
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
物質が酸素であり、酸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口型酸素電極を
例にとって説明すると、酸素電極の２本の金電極間に例
えば０．５　Ｖ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： Ｏｚ　＋　２ＨｚＯ＋　４ｅ−−”　４０１１−　　　
　　（１１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酸素膜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、ポーラ口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■−■線にそった断面図であ
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（Ｓｉｎ２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１５ｍｍｘ厚さ３５０μｍであった。

酸素電極８は、例えば、第５図（＾）〜（Ｅｌに順を追
っ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
枚のウェハ（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、　ウェハ洗浄 厚さ３５０μｍの（１００）面２インチシリコンウェハ
を用意し、これを過酸化水素とアンモニア水の混合溶液
、？Ｍ硝硝酸上して蒸留水で洗浄した。

２、　５ｉＯｚＪ模の形成（第５図（＾））シリコンウ
ェハ１をウェット熱酸化し、その全面に膜厚ｌ〜１．２
μｍのＳｉＯ□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（東京応化槽ＯＭＲ−８３）を使用して、
ウェ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 ウェ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’ｃで１時間にわたってポスト
ベークした。

５、　　ＳｉＯ□膜のエツチング ５０％フッ化水素ｆｆ　：　５０％フッ化アンモニウム
−１：６水溶液にウェハを浸漬し、レジストが被覆され
ていない露出部分の５ｉ０２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、３ｉの異方性
エツチング（第５図（８））８０℃の３５％水酸化カリ
ウド水溶液中にてシリコンの異方性エツチングを行った
。エツチング深さ３００μｍ０エツチング完了後、ウェ
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、　５ｉＯ□膜の形成 シリコンウェハの異方性エツチング部分に５ｉＯｚ膜を
生長させるため、ウェハをウエント熱酸化した。膜１ｔ
５０００人のＳｉＯ□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、
ウェハのＳｉＯ□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５００人で。　　蒸着した。電極形
成後、不要となったレジストを加熱した濃硫酸により除
去した。溝６をもった電極本体が形成された。すなわち
、第５図（Ｃ１は、第３図の線■−■にそった断面図に
対応している。

１０、電解液含有体の収容（第５図（Ｏ））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０．１ＭＫＣｌ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江別し、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、ゲルとなった。

１１、ガス透過性膜の被覆（第５図（［））アガロース
ゲルが固っ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、東しソリコーン型シリコーン
Ｈ［Ｓ　Ｒ２４１０）　ヲこの上を完全に覆うようにし
て惨布し、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ｆＥ）に示すような感応部断面をもっ
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（Ｅｌの小型酸素電極の感応部上に５
■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ｅ、２０μｌ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１０μ２を滴下した。

架橋反応が進行し、第２図に示されるように、酸素二ゲ
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リン酸バッファ。

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、酸素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って現れるの
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、アンペロメトリッ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■−■にそった断面図
、 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（＾）〜（Ｅｌは、それぞれ、第１図のセンサの
電極の製造工程を順を追って示した断面図、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。 マイクログルコースセンサの斜視図 箒１図 セッサ感応部の断面図 第２図 １・・・５１基板 ６・・・溝 ７・・・固定化酵素膜 ８・・・酸素電極 電極本体の平面図 第３図 電極本体の正面図 第４図 Ｔ、）素電極の製造工程 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板と、該基板上に異方性エッチングにより作製さ
   れた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電解液含有
   体と、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本の電極が同一であり、それぞれ金電極又は
   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ーン樹脂膜である、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ォトレジストである、
   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って行わ
   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。 １１、前記基板がシリコン基板である、特許請求の範囲
   第１項〜第１０項のいずれか１項に記載のマイクロバイ
   オセンサ。