JPS6366454A - Enzyme sensor and manufacture thereof - Google Patents

Enzyme sensor and manufacture thereof

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JPS6366454A
JPS6366454A JP61211205A JP21120586A JPS6366454A JP S6366454 A JPS6366454 A JP S6366454A JP 61211205 A JP61211205 A JP 61211205A JP 21120586 A JP21120586 A JP 21120586A JP S6366454 A JPS6366454 A JP S6366454A
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JP
Japan
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enzyme
ion
membrane
immobilized
film
Prior art date
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JP61211205A
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Japanese (ja)
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Teruaki Katsube
勝部 昭明
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Terumo Corp
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Terumo Corp
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4145Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors

Abstract

PURPOSE:To obtain an enzyme sensor with a high response speed excellent in the sensitivity, by providing an enzyme immobilize film 3-20mum thick on an ion sensitive film of an ion sensitive (IS) FET. CONSTITUTION:An insulating material 4 is placed on a P-type silicon substrate 1 and scraped off thin at a portion thereof 4 on a gate 5. An ion sensitive film 2 is deposited on the insulating material 4 by the reaction sputtering and then an enzyme immobilized film 3 with the thickness of 3-20mu is provided on the sensitive film 2 by the lift off using a photoresist. Thus, the gate 5 and the sensitive film 2 are connected through the insulation material 4 scraped off thin to allow the transmission of an interface potential of the sensitive film 2 to the gate 5. Furthermore, the immobilized film 3 with the thickness of about 3-20mum is provided on the sensitive film 2 and at a position separated from the gate 5, thereby enabling the production of an enzyme sensor excellent in the response speed with a high sensitivity.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、ISFET[イオン・センシティブ・フィー
ルド・イフエクト・トランジスタCIon 5ensi
tive Field EJ’Tect Trar+5
istor)]を用いた酵素センサー、特に、ISFE
Tのイオン感応膜の上に直接酵素固定化膜を被着した酵
素センサーに関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to an ISFET [Ion Sensitive Field Effect Transistor CIon 5ensi]
tive Field EJ'Tect Trar+5
istor)], especially ISFE
This invention relates to an enzyme sensor in which an enzyme-immobilized membrane is directly deposited on an ion-sensitive membrane of T.

[従来の技術] 近年、半導体技術およびこの技術を利用したIC技術の
進歩と相俟って、ISFETを利用した水素イオン、ナ
トリウムイオンの濃度測定用センサーがピー・ベルクフ
ェルト(P、Bergverd)、松尾、ケー・デーワ
イズ(K、D、Yisc)によって報告されている。[
アイ・イー・イー・トランスアクションズ(iE、E、
Trans、) BFM−19゜342(1972);
同、BEM−21,485(1974)]I 5FET
は、一般に基板、バリヤー膜およびイオン感応膜から構
成され、イオン感応膜はゲート部に接続されている。そ
して、ISFETを被検液に浸漬すると、イオン濃度に
応じてイオン感応膜の表面電位が変化し、この電位変化
を例えばソースとドレイン間の電流変化として測定し、
標準溶液での結果を参照することによってイオン濃度を
知ることができる。
[Prior Art] In recent years, along with advances in semiconductor technology and IC technology using this technology, sensors for measuring the concentration of hydrogen ions and sodium ions using ISFETs have been developed by P. Bergverd, Matsuo, K. D. Yisc. [
IE,E Transactions (iE,E,
Trans,) BFM-19°342 (1972);
Same, BEM-21, 485 (1974)] I 5FET
Generally consists of a substrate, a barrier film, and an ion-sensitive film, and the ion-sensitive film is connected to a gate portion. Then, when the ISFET is immersed in the test liquid, the surface potential of the ion-sensitive membrane changes depending on the ion concentration, and this potential change is measured, for example, as a current change between the source and drain.
The ion concentration can be determined by referring to the results with the standard solution.

そして、上記ISFETのイオン感応膜上に測定対象物
を分解して、プロトンを発生させる酵素を固定化するこ
とにより酵素センサーとなる・イオン感応膜上への酵素
の固定化方法として従来より用いられている方法として
、シランカブプリング剤の1種である3−アミノプロビ
ルトIミ リエトキシシラン(APTE)を蒸留水套混合し、この
混合溶液中にISFETを浸漬し、反応させる。これに
よりイオン感応膜中にアミノ基が導入される。次に、ゲ
ルタールアルデヒドを主成分とする固定膜原液をディッ
プコーティング法などを用いてイオン感応膜上に塗布す
る。
By immobilizing an enzyme that decomposes the analyte to be measured and generates protons on the ion-sensitive membrane of the above-mentioned ISFET, it becomes an enzyme sensor. Conventionally used as a method for immobilizing enzymes on the ion-sensitive membrane. In this method, 3-aminoprobilt I mylythoxysilane (APTE), which is a type of silane coupling agent, is mixed in a distilled water bath, and the ISFET is immersed in this mixed solution to react. This introduces amino groups into the ion-sensitive membrane. Next, a fixed membrane stock solution containing geltaraldehyde as a main component is applied onto the ion-sensitive membrane using a dip coating method or the like.

これによりアミノ基とアルデヒド基が−CH=N−型の
結合をする。さらに、薄いゲルタールアルデヒド溶液に
浸漬し、固定膜にアルデヒド基を導入した後、酵素(例
えばウレアーゼ)溶液を塗布し、ウレアーゼのアミノ基
と固定膜表面のアルデヒド基との反応によりウレアーゼ
を固定膜上に固定する方法がある。(「バイオセンサー
」鈴木周−編、講談社すイエンティフィク) [発明が解決しようとする問題点] しかし、上記方法により得られる酵素センサーは、応答
速度が遅く、感度が悪いという問題点を存していた。そ
して、その原因は、イオン感応膜上に固定される酵素固
定化膜にあることを本発明者が見出し、本発明に至った
のである。
As a result, the amino group and the aldehyde group form a -CH=N- type bond. Furthermore, after introducing aldehyde groups into the fixed membrane by immersing it in a dilute gel tar aldehyde solution, an enzyme (e.g., urease) solution is applied, and urease is applied to the fixed membrane by a reaction between the amino groups of urease and the aldehyde groups on the surface of the fixed membrane. There is a way to fix it on top. (“Biosensor” edited by Shu Suzuki, Kodansha Entific) [Problems to be solved by the invention] However, the enzyme sensor obtained by the above method has the problems of slow response speed and poor sensitivity. Was. The present inventor discovered that the cause of this problem lies in the enzyme-immobilized membrane fixed on the ion-sensitive membrane, leading to the present invention.

本発明の目的は、酵素膜を改良することにより応答速度
が速く、感度の優れた酵素センサーおよびその製造方法
を提供するものである。
An object of the present invention is to provide an enzyme sensor with high response speed and excellent sensitivity by improving the enzyme membrane, and a method for producing the same.

[間頴点を解決するための手段] 上記問題点を解決するものは、ISFETのイオン感応
膜の上に直接厚さ3〜20μmの酵素固定化膜を設けた
酵素センサーである。
[Means for Solving the Interference Point] What solves the above problem is an enzyme sensor in which an enzyme-immobilized membrane with a thickness of 3 to 20 μm is provided directly on the ion-sensitive membrane of the ISFET.

さらに、前記ISFETが、分離ゲート型ISFETで
あることが好ましい。さらに、前記酵素がウレアーゼで
あることが好ましい。さらに、前記イオン感応膜が、酸
化イリジウムであることが好ましい。
Furthermore, it is preferable that the ISFET is an isolated gate type ISFET. Furthermore, it is preferred that the enzyme is urease. Furthermore, it is preferable that the ion-sensitive membrane is iridium oxide.

また、上記問題点を解決するものは、I S F ET
を作成し、該I 5PETのイオン感応膜上に、酵素を
固定化した酵素固定化膜をスピンコート法により3〜2
0μ貫の厚さに被着する酵素センサーの製造方法である
Also, what solves the above problems is ISFET
An enzyme-immobilized membrane with an enzyme immobilized thereon was coated on the I5PET ion-sensitive membrane by spin coating for 3 to 2 hours.
This is a method for manufacturing an enzyme sensor that is coated to a thickness of 0 μm.

そこで、本発明の酵素センサーを第1図に示す実施例を
用いて説明する。
Therefore, the enzyme sensor of the present invention will be explained using an example shown in FIG.

本発明の酵素センサーは、P型シリコン基板l上にPE
Tが形成され、このPETより少し離れた位置に酵素固
定化膜3を有するイオン感応膜2が絶縁材4の上に設け
られており、さらにFETは、ドレインD6とソースS
7とゲー)G5を有しており、ゲートはイオン感応膜2
と接続されている。第1図に示すものでは、P型シリコ
ン基板を用いているがこれに限らずサファイア基板を用
いたものでもよい。サフ・アイア基板は強度が高いため
、形成される酵素センサーの強度も高まる。また、第1
図に示すものでは、分離ゲート型ISFETを用いてい
るが、これに限らずゲートの上にイオン感応膜を設けた
ものであってもよい。好ましくは、分離ゲート型である
。分離ゲート型I 5FETであれば、イオン感応膜部
のみを被検液に浸漬すればよく、PETゲート部および
ソース、ドレイン構成部分を浸漬する必要がなく、さら
にそれら部分は光や外界から遮断されているため応答の
安定化が図れるからである。
The enzyme sensor of the present invention is made of PE on a P-type silicon substrate l.
An ion-sensitive membrane 2 having an enzyme-immobilized membrane 3 at a position slightly apart from the PET is provided on an insulating material 4, and the FET has a drain D6 and a source S.
7 and gate) G5, and the gate is an ion-sensitive membrane 2.
is connected to. In the one shown in FIG. 1, a P-type silicon substrate is used, but the invention is not limited to this, and a sapphire substrate may be used. Because the Saf-Ia substrate is strong, the resulting enzyme sensor will also be stronger. Also, the first
In what is shown in the figure, a separated gate type ISFET is used, but the present invention is not limited to this, and an ion-sensitive film provided on the gate may be used. Preferably, it is a separated gate type. If it is a separate gate type I 5FET, only the ion-sensitive membrane part needs to be immersed in the test liquid, and there is no need to immerse the PET gate part and the source and drain components, and furthermore, these parts are shielded from light and the outside world. This is because the response can be stabilized because the

なお、分離ゲート型ISFETとは、基板、バリヤー膜
およびゲート部がソースに接続した構造において、イオ
ン感応膜とゲート分離が同一、基板上に距離をおいて設
けられているものをいう。
Note that an isolated gate type ISFET refers to a structure in which a substrate, a barrier film, and a gate portion are connected to a source, and in which an ion-sensitive film and a gate isolation are provided on the same substrate at a distance.

PETは、P型(あるいはN型)シリコン基板l上に常
法により形成される。例えば、P型(あるいはN型)シ
リコン基板上にn型(あるいはp型)シリコンを、ソー
ス、ドレインとなる部分にフォトレジスト法、放電処理
法、熱拡散法等の公知の方法を用いて、またそれらを組
み合わせてFETを形成させる。
PET is formed on a P-type (or N-type) silicon substrate l by a conventional method. For example, by applying n-type (or p-type) silicon on a p-type (or n-type) silicon substrate and applying known methods such as photoresist method, discharge treatment method, thermal diffusion method, etc. to the portions that will become the source and drain, Further, they are combined to form an FET.

PETの位置は、P型シリコン基板1上の端部付近に形
成することが好ましい。また、イオン感応膜2は、FE
Tのゲートと離れた他端部付近にもうけることが好まし
い。このようにすれば、P型シリコン基板の全体を有効
に利用でき、絶縁技術上も有利になるからである。
It is preferable that the PET be formed near the end of the P-type silicon substrate 1. In addition, the ion-sensitive membrane 2 is made of FE
It is preferable to provide it near the other end of the T apart from the gate. This is because the entire P-type silicon substrate can be used effectively and is advantageous in terms of insulation technology.

そして、P型シリコン基板lの上に絶縁材4をのせ、ゲ
ート5の上の絶縁材を薄く削り、その薄く削られた絶縁
材およびその部分より離間した部分の上にイオン感応膜
2が形成されている。絶縁材としては、酸化ケイ素(S
in、)が好適に使用される。また、イオン感応′膜と
しては、酸化イリジウム(Ire−)、酸化パラジウム
(PdO,)、窒化ケイ素(Sj3Na)、酸化アルミ
ニウム(A+yo3)、酸化タンタル(ratos)な
どが使用できる。好ましくは、酸化イリジウム、酸化パ
ラジウムであり、pFI感度が優れているからである。
Then, the insulating material 4 is placed on the P-type silicon substrate l, the insulating material on the gate 5 is shaved thinly, and the ion-sensitive film 2 is formed on the thinly shaved insulating material and a part spaced apart from that part. has been done. As an insulating material, silicon oxide (S
in, ) is preferably used. Further, as the ion-sensitive film, iridium oxide (Ire-), palladium oxide (PdO, ), silicon nitride (Sj3Na), aluminum oxide (A+yo3), tantalum oxide (ratos), etc. can be used. Preferred are iridium oxide and palladium oxide because they have excellent pFI sensitivity.

特に好ましくは酸化イリジウムである。酸化イリジウム
は、イオン感応膜として雑音の少ない較であり、さらに
、導電体としても作用する。
Particularly preferred is iridium oxide. Iridium oxide is a less noisy ion-sensitive membrane and also acts as an electrical conductor.

イオン感応膜2は、上記材料を、反応性スパッタ法等を
用いて、P型シリコン基板l上の絶縁材4の上に蒸着す
ることにより形成される。
The ion sensitive film 2 is formed by depositing the above material on the insulating material 4 on the P-type silicon substrate l using a reactive sputtering method or the like.

そして、P型シリコン基板1上に形成された、F’ET
のゲート5とイオン感応膜2とは上記の通り、薄く削ら
れた絶縁材を介して接続されており、イオン感応膜2の
界面電位をゲート5に伝達できるようになっている。
Then, F'ET formed on the P-type silicon substrate 1
As described above, the gate 5 and the ion-sensitive membrane 2 are connected through a thinly cut insulating material, so that the interface potential of the ion-sensitive membrane 2 can be transmitted to the gate 5.

さらに、イオン感応膜2の上であり、ゲート5より離間
した位置に、厚さ3〜20μmの酵素固定化膜3が設け
られており、この厚さの酵素固定化膜を設けたことによ
り優れた応答速度と、高い感度を有するのである。酵素
固定化膜3は、酵素を含有するとともにその酵素をイオ
ン感応S 膜2上分支持する働きを有する。
Furthermore, an enzyme-immobilized membrane 3 with a thickness of 3 to 20 μm is provided above the ion-sensitive membrane 2 and at a position spaced apart from the gate 5. It has a high response speed and high sensitivity. The enzyme-immobilized membrane 3 contains an enzyme and has the function of supporting the enzyme on the ion-sensitive S membrane 2.

本発明に使用される酵素としては、測定対象物を分解し
てプロトンを発生させるものならば使用でき、例えばウ
レアーゼ(尿素検出用)、グルコースオキシターゼ(グ
ルコース検出用)、ベニンリナーゼ(ペニシリン検出用
)、トリプシン(ベプタイド検出用)、リパーゼ[脂肪
酸検出用、例えばホスホリパーゼ(アセチルコリン検出
用)]、ペプチターゼ(スレオニン検出用)等があげれ
る。
The enzyme used in the present invention can be any enzyme that decomposes the analyte to generate protons, such as urease (for urea detection), glucose oxidase (for glucose detection), beninlinase (for penicillin detection), Examples include trypsin (for detecting peptides), lipase [for detecting fatty acids, such as phospholipase (for detecting acetylcholine)], and peptidase (for detecting threonine).

そして、本発明におけるイオン感応膜2に酵素固定化膜
3を設ける方法としては、フォトレジストを用いたリフ
トオフ法により行うことが好ましく、例えば、ポジ型フ
ォトレジストをPETのイオン感応膜上に、スピンコー
トし、酵素固定化膜が形成される部分以外を露光し、現
像した後、イオン感応膜の酵素固定化膜が形成される部
分のフォトレジストを除去する。フォトレジストには、
公知のものが使用できたとえば、ポリビニルアルコール
の水溶液にN−メチル−P−ホルミルスチルピリジニウ
ムメトサルフェートを付加したもの(特開昭56−57
61号公報)、ポリエチレングリコールメタクリレート
(増感剤として例えばベンゾインエチルエーテルを加え
たもの)、ポリビニルアルコール(架橋剤としてジアジ
ド化合物を混合したもの)、ポリビニルピロリドン(架
橋剤としてジアジド化合物を混合したもの)などがある
The method of providing the enzyme-immobilized membrane 3 on the ion-sensitive membrane 2 in the present invention is preferably carried out by a lift-off method using a photoresist. After coating, exposing the area other than the area where the enzyme-immobilized film will be formed, and developing, the photoresist of the area of the ion-sensitive membrane where the enzyme-immobilized film will be formed is removed. For photoresist,
Known products can be used, such as those obtained by adding N-methyl-P-formylstylpyridinium methosulfate to an aqueous solution of polyvinyl alcohol (Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-57
61), polyethylene glycol methacrylate (to which benzoin ethyl ether is added as a sensitizer), polyvinyl alcohol (to which a diazide compound is mixed as a crosslinking agent), polyvinylpyrrolidone (to which a diazide compound is mixed as a crosslinking agent) and so on.

そして、イオン感応膜が露出した部分(酵素固定化膜が
形成される部分)および硬化したフォトレジストが形成
されているイオン感応膜にシランカップリング剤の溶液
(例えば、1wt%3−アミノプロピルトリエトキシシ
ラン溶液)をスピンコートし、加熱(例えば110℃、
5分間)して表面にアミノ基を導入し、さらに、これを
5wt%程度のグルタルアルデヒド溶液に浸漬(例えば
15分間)した後、水洗、乾燥する。
Then, a solution of a silane coupling agent (for example, 1 wt% 3-aminopropyltritrifluoride) is applied to the exposed portion of the ion-sensitive membrane (the portion where the enzyme-immobilized membrane is formed) and the ion-sensitive membrane where the hardened photoresist is formed. ethoxysilane solution) and heated (e.g. 110°C,
5 minutes) to introduce amino groups onto the surface, and then immersed in a glutaraldehyde solution of about 5 wt % (for example, 15 minutes), washed with water, and dried.

その上から緩衝液[例えば、PIPES−NaOH緩衝
液(0,1M、pH6,8)、HEPES緩衝液(0,
1M、pl−!7.5)、トリス−塩酸塩緩衝液]を溶
液とする牛血清アルブミン溶液(例えば、300x9/
ml)とウレアーゼ溶液(例えば、50x9/a+1)
とグルタルアルデヒド溶液(例えば、2wt%)とを混
合した酵素溶液をスピンコートする。
Buffer solution [e.g., PIPES-NaOH buffer (0.1M, pH 6.8), HEPES buffer (0.1M, pH 6.8),
1M, pl-! 7.5), Tris-hydrochloride buffer] as a solution (e.g., 300x9/
ml) and urease solution (e.g. 50x9/a+1)
and a glutaraldehyde solution (for example, 2 wt%) is spin-coated.

スピンコートは、例えばミカサ株式会社製、ス例えば3
000rpm、10分間、25℃にて行うと1回の操作
で約1μmの酵素固定化膜をイオン感応膜膜上に被若す
ることができる。
Spin coat is manufactured by Mikasa Co., Ltd., for example, 3
When the reaction is carried out at 25° C. for 10 minutes at 000 rpm, an enzyme-immobilized membrane of about 1 μm can be coated on the ion-sensitive membrane in one operation.

よって、任意の厚さの酵素固定化膜を形成するとにより
形成することができる。また、1回の操作により被着さ
れる酵素固定化膜の厚さは、酵素溶液の粘度を変化させ
ることにより変えることができる。そして、酵素溶液を
スピンコートした後、放置(例えば30分以上)し、硬
化したフォトレジストを溶解しかつ酵素固定化膜を溶解
しない溶媒(例えば、アセトン)に浸漬しく好ましくは
、超音波を付与する)フォトレジストを除去する。これ
によりイオン感応膜上の一部に酵素固定化膜が形成され
る。
Therefore, an enzyme-immobilized membrane of any thickness can be formed. Furthermore, the thickness of the enzyme-immobilized membrane deposited in one operation can be changed by changing the viscosity of the enzyme solution. After spin-coating the enzyme solution, it is left to stand (for example, for 30 minutes or more), and then immersed in a solvent (for example, acetone) that dissolves the hardened photoresist but does not dissolve the enzyme-immobilized film, or preferably, applies ultrasound. ) Remove the photoresist. As a result, an enzyme-immobilized membrane is formed on a portion of the ion-sensitive membrane.

さらに、FETを保護するために酵素固定化膜3、絶縁
材4を除く部分に保護膜13を設けることが好ましい。
Further, in order to protect the FET, it is preferable to provide a protective film 13 in a portion other than the enzyme immobilized film 3 and the insulating material 4.

上記巷の方法を用いることにより、酵素固定化膜3の厚
さを正確に制御でき、厚さ3〜20μmのものを確実か
つ容易に作成することができる。
By using the above-mentioned conventional method, the thickness of the enzyme-immobilized membrane 3 can be accurately controlled, and a membrane having a thickness of 3 to 20 μm can be reliably and easily produced.

そして、P型シリコン基板l上に、酵素固定化I03を
有さない以外(よ、1−記した酵素センサーと同一の構
成を有する対照用電極を設けることが好ましい。対照用
電極は、FETのドリフト等を見るためとしても作用す
る。対照用電極は、別の基板に設けてもよいが、同一基
板上に設けた方が測定するときに1つのセンサーを被検
液に浸漬するだけでずみ、さ4に、形成されるPETも
かなり均質なものを形成でき好ましい。そして、この対
照用電極のイオン感応膜上に、熱または酸等で失活させ
た酵素の固定化膜を設けることが好ましい。このように
すればよりドリフト等の影響を把握できるからである。
Then, it is preferable to provide a control electrode on the P-type silicon substrate l, which has the same configuration as the enzyme sensor described in 1-1 except that it does not have the enzyme immobilized I03. It also works to check drifts, etc. The reference electrode may be provided on a separate substrate, but it is better to provide it on the same substrate because it is easier to measure by simply immersing one sensor in the test liquid. 4. It is preferable that the PET to be formed is fairly homogeneous.It is also preferable to provide an immobilized membrane of an enzyme inactivated by heat or acid on the ion-sensitive membrane of the control electrode. This is preferable, because in this way it is possible to better understand the effects of drift and the like.

次に、本発明の酵素センサーに使用される測定回路を説
明する。測定回路は第2図に示す通りであり、これは、
上記の対照用電極用の測定回路を含めたものである。こ
の測定回路は、被検液とイオン感応膜間の界面電位の変
化を直接測定するためのものである。また、被検液に対
する応答特性は、酵素固定化膜を有する酵素センサーと
、対照用として酵素固定化膜を有さないか失活させた酵
素の固定化膜を有するFETにて構成された対照用電極
との作動出力より測定する。
Next, a measurement circuit used in the enzyme sensor of the present invention will be explained. The measurement circuit is as shown in Figure 2, which is
This includes the measurement circuit for the reference electrode described above. This measurement circuit is for directly measuring the change in interfacial potential between the test liquid and the ion-sensitive membrane. In addition, the response characteristics to the test solution were evaluated using an enzyme sensor with an enzyme-immobilized membrane and a control FET with no enzyme-immobilized membrane or an inactivated enzyme-immobilized membrane. Measured from the operating output with the electrode.

測定回路を簡単に説明する。The measurement circuit will be briefly explained.

オペアンプからなる帰還回路により酵素センサー8およ
び対照用電極11には一定のドレイン電流が流れ、また
、ソース・ドレイン間には常に一定の電圧が加えられて
いる。溶液の電位はAg/AgCl電極により一定に保
たれ、溶液のpH変化によって生ずる溶液とイオン感応
膜界面の界面電位変化がA、B端子に現れる。この2つ
の出力を作動増幅器9に人力し、その差の出力がレコー
ダー10に時間変化として記録される。
A constant drain current flows through the enzyme sensor 8 and the reference electrode 11 by a feedback circuit consisting of an operational amplifier, and a constant voltage is always applied between the source and drain. The potential of the solution is kept constant by the Ag/AgCl electrode, and changes in the interfacial potential between the solution and the ion-sensitive membrane caused by changes in the pH of the solution appear at the A and B terminals. These two outputs are input to the operational amplifier 9, and the difference between the two outputs is recorded on the recorder 10 as a time change.

次に、実施例を挙げて説明する。Next, an example will be given and explained.

実施例1〜4 下記方法に従って、′:jS1図に示す構造のIsFE
Tを用いた酵素センサーを作成した。
Examples 1 to 4 According to the following method, IsFE with the structure shown in ':jS1 figure
We created an enzyme sensor using T.

(1)FEATの作成 P型シリコン基板を用い、フォトレジスト法、放電処理
法を組み合わせて基板の一部にPETを形成させた。
(1) Creation of FEAT Using a P-type silicon substrate, PET was formed on a part of the substrate by combining a photoresist method and a discharge treatment method.

(2)  ISFETの作成 上記FETが形成された構造物を用い、FETのゲート
部とは距離をおいた位置よりFETのゲート部の上にか
けて絶縁材(5iOx)を設けた。さらに、FETのゲ
ート部上の絶縁材を薄く削った。そして、FETのゲー
ト部上およびゲート部とは距離をおいた位置の絶縁材の
上にイオン感応膜となる酸化イリジウム膜を、5 X 
10−3Torr真空化、純酸素中にて反応性スバブタ
法を用いて形成した。
(2) Creation of ISFET Using the structure in which the FET was formed, an insulating material (5iOx) was provided over the gate of the FET from a distance from the gate of the FET. Furthermore, the insulating material on the gate part of the FET was shaved thin. Then, an iridium oxide film, which will become an ion-sensitive film, is placed on the gate of the FET and on the insulating material at a distance from the gate.
It was formed using the reactive subabuta method in pure oxygen under a vacuum of 10-3 Torr.

膜厚は800人であった。The film thickness was 800 people.

また、PETのソース部とドレイン部にはそれぞれ電極
を設けた。
Furthermore, electrodes were provided at the source and drain portions of the PET, respectively.

(3)酵素センサーの作成 そして、ポジ型フォトレジストを、F ETのイオン感
応膜上に、スピンコートし、酵素固定化膜が形成される
部分(150x500μm1)以外を露光し、現像した
後、イオン感応膜の酵素固定化膜が形成される部分のフ
ォトレジストを除去した。
(3) Creation of enzyme sensor Then, a positive photoresist was spin-coated on the ion-sensitive membrane of FET, and the area other than the part (150 x 500 μm1) where the enzyme-immobilized membrane was formed was exposed and developed. The photoresist in the part of the sensitive membrane where the enzyme-immobilized membrane was to be formed was removed.

次に、イオン感応膜が露出した部分(酵素固定化膜が形
成される部分)および硬化したフォトレジストが形成さ
れているイオン感応膜にシランカップリング剤の溶液1
wt%3−アミノプロピルトリエトキシシラン溶液をス
ピンコートし、110℃、5分間加熱して表面にアミノ
基を導入し、さらに、これを5wt%のグルタルアルデ
ヒド溶液に15分間浸漬した後、水洗、乾燥した。
Next, a solution of silane coupling agent 1
A wt% 3-aminopropyltriethoxysilane solution was spin-coated, heated at 110°C for 5 minutes to introduce amino groups onto the surface, and then immersed in a 5wt% glutaraldehyde solution for 15 minutes, washed with water, Dry.

その上から、300 xv/zQ牛血清アルブミン溶液
[0,IM、pi−17,5HEPES緩衝液]に、5
0x9/峠のウレアーゼ溶液と2wt%グルタルアルデ
ヒド溶液とを混合した酵素溶液をスピンコートした。ス
ピンコートは、ミカサ株式会社製、スピンナーIH−D
2型を用いて3000rpm、10分間、25℃にて行
い、この操作を繰り返すことにより、ウレアーゼ固定化
膜厚3μm(実施例1)、5μm(実施例2)、lOμ
m(実施例3)、20μm(実施例4)のものを作成し
た。
From above, add 5% to 300 xv/zQ bovine serum albumin solution [0, IM, pi-17,5 HEPES buffer].
An enzyme solution prepared by mixing a 0x9/toge urease solution and a 2 wt % glutaraldehyde solution was spin coated. Spin coating is made by Mikasa Co., Ltd., Spinner IH-D
By repeating this operation, the thickness of the urease immobilized film was 3 μm (Example 1), 5 μm (Example 2), and 10 μm.
20 μm (Example 4) and 20 μm (Example 4) were prepared.

そして、酵素溶液をスピンコートした後、30分以上放
置し、硬化したフォトレジストを、アセトンに浸漬し超
音波を付与して除去し、FETを保護するために酵素固
定化膜、絶縁材を除く部分に保護膜を設けた尿素センサ
ーを作成した。
After spin-coating the enzyme solution, the hardened photoresist is left for 30 minutes or more and removed by immersing it in acetone and applying ultrasound to remove the enzyme immobilization film and insulating material to protect the FET. We created a urea sensor with a protective film on the part.

スピンコート法を用いることによりウレアーゼ固定化膜
の厚さを約lμmの精度で制御できた。また、イオン感
応膜露出面と固定化膜との密着性は良好であった。
By using the spin coating method, the thickness of the urease-immobilized film could be controlled with an accuracy of about 1 μm. Furthermore, the adhesion between the exposed surface of the ion-sensitive membrane and the immobilized membrane was good.

比較例1 スピンコートを繰り返さなかった以外は、実施例1と同
じ方法を用いて、ウレアーゼ固定化膜厚Iμ厘の尿素セ
ンサーを作成した。
Comparative Example 1 A urea sensor with a urease-immobilized film thickness of I μm was prepared using the same method as in Example 1, except that spin coating was not repeated.

比較例2 実施例1で用いたものと同じ、ISFETのイオン感応
膜の上に、0.2Mトリス−塩酸塩緩衝液(pH8,5
)−15%牛血清アルブミン溶液にウレアーゼを溶解さ
せた液5μQをマイクロシリンジで採取し、塗布し、風
乾させた後、25容積%のグルタルアルデヒド溶液0.
5μeを滴下し、架橋反応によってウレアーゼ固定化膜
を成膜し、尿素センサーを作成した。この尿素センサー
のウレアーゼ固定化膜の厚さは約80μmであった。
Comparative Example 2 A 0.2 M Tris-hydrochloride buffer (pH 8,5
) - 5 μQ of a solution of urease dissolved in a 15% bovine serum albumin solution was collected with a microsyringe, applied, and air-dried.
5 μe was added dropwise, and a urease-immobilized membrane was formed by a crosslinking reaction to produce a urea sensor. The thickness of the urease-immobilized membrane of this urea sensor was about 80 μm.

試験例 実施例1〜4、比較例1.2の尿素センサーの出力電圧
および応答速度を次の方法により測定した。
Test Example The output voltage and response speed of the urea sensors of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1.2 were measured by the following method.

測定は、205M%pH7,5のHE P E S $
1衝液中にて尿素濃度10 B/dL  I OOB/
dL  1000 m9/ diについて行い、Ag/
AgCl電極によりゲートバイアスを調整しゲート表面
電位(出力電圧)の変化およびそのときの応答速度を測
定した。
Measurement was carried out using 205M% pH 7.5 HEPS $
Urea concentration in 1 buffer solution: 10 B/dL I OOB/
dL 1000 m9/di, Ag/
Gate bias was adjusted using an AgCl electrode, and changes in gate surface potential (output voltage) and response speed at that time were measured.

第3図は、出力電圧についての結果を示すものであり、
縦軸が出力電圧であり、横軸は、酵素固定化膜の厚さで
ある。
Figure 3 shows the results regarding the output voltage,
The vertical axis is the output voltage, and the horizontal axis is the thickness of the enzyme-immobilized membrane.

第4図は、応答速度についての結果を示すものであり、
縦軸が応答時間であり、横軸は、酵素固定化膜の厚さで
ある。
Figure 4 shows the results regarding response speed.
The vertical axis is the response time, and the horizontal axis is the thickness of the enzyme-immobilized membrane.

第3図には、酵素固定化膜厚がlμmから厚くなるに従
って出力電圧は急速に上昇し、lOμm程度で飽和に達
し後は逆に減少する傾向があることが示されている。そ
して、酵素固定化膜厚3〜20μ友である実施例1〜4
のものは、十分な出力電圧を有し、感度が高いことがわ
かった。
FIG. 3 shows that as the enzyme-immobilized film thickness increases from 1 μm, the output voltage increases rapidly, and after reaching saturation at about 10 μm, it tends to decrease. Examples 1 to 4 in which the enzyme immobilization film thickness was 3 to 20 μm
It was found that the one with sufficient output voltage and high sensitivity.

第4図には、酵素固定化膜が薄いほど応答速度が速いこ
とが示されている。また応答速度には基質(尿素)の濃
度依存性がみられた。そして、酵素固定化膜厚3〜20
μmである実施例1〜4ものは、十分な応答速度を有す
るものであることがわかった。特に、好ましくは、酵素
固定化膜厚3〜10μまであることもわかった。
FIG. 4 shows that the thinner the enzyme-immobilized membrane is, the faster the response speed is. In addition, the response speed was found to be dependent on the concentration of the substrate (urea). And enzyme immobilization film thickness 3-20
It was found that Examples 1 to 4 having a diameter of μm had sufficient response speed. In particular, it has been found that the enzyme-immobilized film has a thickness of 3 to 10 μm.

[発明の効果] 本発明の酵素センサーは、ISFETのイオン感応膜の
上に直接厚さ3〜20μ貫の酵素固定化膜を設けたもの
であるので、応答速度が速くかつ十分な感度を有するの
で、被検液中の測定対象物質の儂度を速くかつ確実に測
定することができる。
[Effects of the Invention] The enzyme sensor of the present invention has an enzyme-immobilized membrane with a thickness of 3 to 20 μm directly on the ion-sensitive membrane of the ISFET, so it has a fast response speed and sufficient sensitivity. Therefore, the intensity of the substance to be measured in the test liquid can be measured quickly and reliably.

また、I 5FETが、分離ゲート型ISFETであれ
ば、イオン感応膜部のみを被検液に浸漬すればよく、F
ETゲート部およびソース、ドレイン構成部分を浸漬す
る必要がなく、さらにそれら部分は光や外界から遮断さ
れているため応答の安定化が図れ好ましい。
In addition, if the I5FET is a separated gate type ISFET, it is only necessary to immerse only the ion-sensitive membrane part in the test liquid, and
It is not necessary to immerse the ET gate portion and the source and drain constituent portions, and furthermore, since these portions are shielded from light and the outside world, the response can be stabilized, which is preferable.

また、ISFETを作成し、該ISFETのイオン感応
膜上に、酵素を固定化した酵素固定化膜をスピンコート
法により3〜20μmの厚さに被着する本発明の酵素セ
ンサーの製造方法によれば、イオン感応膜上に形成され
る酵素固定化膜厚を正確に制御できるため上記酵素セン
サーを確実かつ容易に製造することができる。
In addition, according to the method for manufacturing an enzyme sensor of the present invention, an ISFET is prepared, and an enzyme-immobilized film on which an enzyme is immobilized is coated on the ion-sensitive membrane of the ISFET to a thickness of 3 to 20 μm. For example, since the thickness of the enzyme-immobilized film formed on the ion-sensitive membrane can be accurately controlled, the enzyme sensor described above can be manufactured reliably and easily.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明の酵素センサーの構造の一例を示す図
面である。第2図は、本発明の酵素センサーの測定装置
の回路図を示す図面である。 第3図は、酵素固定化膜厚と出力電圧との関係を示す図
面である。第4図は、酵素固定化膜厚と応答時間との関
係を示す図面である。
FIG. 1 is a drawing showing an example of the structure of the enzyme sensor of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a circuit diagram of the enzyme sensor measuring device of the present invention. FIG. 3 is a drawing showing the relationship between the enzyme immobilization film thickness and the output voltage. FIG. 4 is a drawing showing the relationship between enzyme immobilization film thickness and response time.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)ISFETのイオン感応膜の上に直接厚さ3〜2
0μmの酵素固定化膿を設けたことを特徴とする酵素セ
ンサー。
(1) Directly on the ion-sensitive membrane of the ISFET with a thickness of 3 to 2
An enzyme sensor characterized by having a 0 μm enzyme-immobilized suppuration.
(2)前記ISFETが、分離ゲート型ISFETであ
る特許請求の範囲第1項に記載の酵素センサー。
(2) The enzyme sensor according to claim 1, wherein the ISFET is a separated gate type ISFET.
(3)前記酵素がウレアーゼである特許請求の範囲第1
項または第2項に記載の酵素センサー。
(3) Claim 1, wherein the enzyme is urease.
The enzyme sensor according to item 1 or 2.
(4)前記イオン感応膜が、酸化イリジウムである特許
請求の範囲第1項ないし第3項のいずれかに記載の酵素
センサー。
(4) The enzyme sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the ion-sensitive membrane is made of iridium oxide.
(5)ISFETを作成し、該ISFETのイオン感応
膜上に、酵素を固定化した酵素固定化膜をスピンコート
法により3〜20μmの厚さに被着することを特徴とす
る酵素センサーの製造方法。
(5) Production of an enzyme sensor characterized by creating an ISFET and depositing an enzyme-immobilized membrane on which an enzyme is immobilized to a thickness of 3 to 20 μm on the ion-sensitive membrane of the ISFET by spin coating. Method.
(6)前記ISFETが、分離ゲート型ISFETであ
る特許請求の範囲第5項に記載の酵素センサー。
(6) The enzyme sensor according to claim 5, wherein the ISFET is a separated gate type ISFET.
(7)前記酵素がウレアーゼである特許請求の範囲第5
項または第6項に記載の酵素センサー。
(7) Claim 5, wherein the enzyme is urease.
The enzyme sensor according to item 6 or item 6.
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