WO2015020131A1 - バイオセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
(1-1)全体構成
図1に示すバイオセンサ10は、識別部12Aと、検出部としての電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)14とを備える。バイオセンサ10は、識別部12Aにおいて試料中に含まれる検出対象物質としてのグルコースを識別し、識別された情報をFET14において電気的な信号に変換することにより、試料中のグルコース濃度を検出する。ここで試料とは、非侵襲的に採取した試料、すなわち血液以外の生体液として、汗、涙、唾液を挙げることができる。これら試料には、グルコースのほか、非検出対象物質としてのアルブミン等のタンパク質が含まれている。
図2に示す識別部12Aは、以下の手順により製造することができる。まず、スパッタリング装置を用いてガラス基板上にCr、Auの順で堆積し、電極16を形成する。次いでガラスで形成された円筒状の壁部を電極16上にエポキシ樹脂で固定する。その後、硫酸と過酸化水素の混合溶液を用いて洗浄処理をし、さらに純水、エタノールの順に洗浄する。
上記のように構成されたバイオセンサ10において、まず、識別部12Aに試料を加える(図2)。試料に含まれるグルコース40は、受容体20Aの下方へ到達し、識別物質38と結合する。これにより識別物質38は、負電荷を生じる。当該負電荷は、電極16表面に帯電する。一方、試料に含まれるアルブミン等のタンパク質42は、阻害物質39と結合し、受容体20Aの下方、すなわち識別物質38や電極16表面まで到達することが抑制される。
次に、図2に示した識別部を備えたバイオセンサを、上記「(1-2)製造方法」に示した手順で製造した。識別部は、識別物質としてフェニルボロン酸を用い、阻害物質としてオリゴエチレングリコールを用いた。そして、識別部にアルブミンを含む試料を入れ、さらにグルコース濃度を徐々に変えた時の電界効果トランジスタのゲート電圧の変化を測定した。
図2との対応部分に同様の符号を付した図4を参照して、第2実施形態に係る識別部12Bについて説明する。本実施形態に係る識別部12Bは、識別物質38が電極16の一側表面に固定されていない点が、上記第1実施形態と異なる。
識別部12Bに収容された受容体20Bは、識別物質38が阻害物質41と結合した共重合体で形成されている。本実施形態の場合、受容体20Bは、さらに分解促進剤、架橋剤を含む。
上記例示した親水性ポリマーは、単独で用いてもよく、2種類以上を併用してもよい。
図4に示す識別部12Bは、以下の手順により製造することができる。まず、4-ビニルフェニルボロン酸0.15g、ヒドロキシエチルメタクリレート1.0g、N-(3-ジメチルアミノプロピル)メタクリルアミド0.5g、架橋剤としてN,N’-メチレンビスアクリルアミドを0.05g用意し、6.7重量%アクリル酸ナトリウム水溶液(pH7.3)6.0gを超純水にて全量10gとし容器18内において混合し、溶解する。その後、重合開始剤としてテトラメチルエチレンジアミンを25μl、ペルオキソ二硫酸カリウム7.5mgを加え、重合を開始する。この状態で、窒素雰囲気下、室温にて2時間保持する。重合反応終了後、生成された共重合体を含む溶液を超純水に浸漬し、未反応成分を除去することにより、識別物質38と阻害物質41を共重合させた受容体20Bを得ることができる。このようにして識別部12Bを製造することができる。
上記のように構成された識別部12Bは、阻害物質である親水性ポリマーがその周囲に水分子を吸着させ溶媒親和性が高い。そのため、グルコースは水分子を介して親水性ポリマーと接触するため吸着されることなく溶媒中に溶け込む。これにより、試料に含まれるグルコースが受容体20B中のフェニルボロン酸と結合することにより、負電荷が生じ、電極16に帯電する。したがって識別部12Bは、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
図4との対応部分に同様の符号を付した図5を参照して、第2実施形態の変形例に係る識別部12Cについて説明する。本実施形態に係る識別部12Cは、識別物質38が担体44に担持されている点が、上記第2実施形態と異なる。
次に、図4に示した識別部を備えたバイオセンサを、上記「(2-2)製造方法」に示した手順で製造した。試料は、pH7.4、4g/Lのアルブミンを含むリン酸緩衝生理食塩水(PBS:Phosphate buffered saline)を用意し、これにグルコースを50μM~1.25mMの範囲で段階的に加え、グルコース濃度を段階的に高くした。その結果を図7に示す。
図2との対応部分に同様の符号を付した図11を参照して、第3実施形態に係る識別部12Dについて説明する。本実施形態に係る識別部12Dは、識別物質38上に阻害物質が層状に形成されている点が、上記第1実施形態と異なる。
上記第3実施形態では、阻害物質層が1層である場合について説明したが、本発明はこれにかぎらず、分子量が異なる親水性ポリマーで形成した阻害物質層を2層以上形成してもよい。
次に、図11に示した識別部を備えたバイオセンサを、上記した手順で製造した。試料は、pH7.4、4g/Lのアルブミンを含むリン酸緩衝生理食塩水(PBS:Phosphate buffered saline)を用意し、これにグルコースを10μM~2mMの範囲で段階的に加え、グルコース濃度を段階的に高くした。その結果を図12に示す。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。例えば上記実施形態の場合、検出部は、FETである場合について説明したが、本発明はこれに限らず、フォトダイオード、光電子倍増管等の受光素子、サーミスタ、水晶振動子マイクロバランス(QCM:Quartz Crystal Microbalance)、表面プラズモン共鳴を利用した素子等を使用することもできる。
12A、12B、12C、12D 識別部
14 FET(検出部)
16 電極
28 ゲート絶縁膜
30 金属電極
31 配線
38 識別物質
39、41 阻害物質
40 グルコース(検出対象物質)
42 タンパク質(非検出対象物質)
44 担体
46 薄膜
47 阻害物質層
Claims (9)
- 検出対象物質と結合する識別物質と、
前記識別物質の電荷を帯電する電極と
を備えるバイオセンサにおいて、
非検出対象物質が前記識別物質又は前記電極の少なくとも一方に付着すること、を抑制する阻害物質を有し、
前記識別物質が、前記電極に接触しており、
前記阻害物質は、分子鎖が前記識別物質より長い高分子化合物で形成され、
前記識別物質と前記阻害物質とにより、前記電極表面に自己組織化単分子膜が形成されており、
前記検出対象物質が前記識別物質に結合することにより生じる前記電極の電荷密度の変化を検出する
ことを特徴とするバイオセンサ。 - 前記検出対象物質が、グルコースであることを特徴とする請求項1記載のバイオセンサ。
- 検出対象物質と結合する識別物質と、
前記識別物質の電荷を帯電する電極と
を備えるバイオセンサにおいて、
非検出対象物質が前記識別物質又は前記電極の少なくとも一方に付着すること、を抑制する阻害物質を有し、
前記電極上に設けられ、前記識別物質で形成された薄膜と、
前記薄膜上に形成され、前記阻害物質を含む1又は2以上の阻害物質層とを備え、
前記検出対象物質が前記識別物質に結合することにより生じる前記電極の電荷密度の変化を検出する
ことを特徴とするバイオセンサ。 - 検出対象物質と結合する識別物質と、
前記識別物質の電荷を帯電する電極と
を備えるバイオセンサにおいて、
非検出対象物質が前記識別物質又は前記電極の少なくとも一方に付着すること、を抑制する阻害物質を有し、
前記識別物質が、前記阻害物質と結合しており、
前記検出対象物質が前記識別物質に結合することにより生じる前記電極の電荷密度の変化を検出する
ことを特徴とするバイオセンサ。 - 前記識別物質が、粒子に担持されていることを特徴とする請求項4記載のバイオセンサ。
- 前記阻害物質が、前記検出対象物質の分子構造と相補的な構造を有する分子鋳型を有することを特徴とする請求項4又は5記載のバイオセンサ。
- 前記電極が、電界効果トランジスタのゲート絶縁膜に接続されていることを特徴とする請求項1~6のいずれか1項記載のバイオセンサ。
- 前記識別物質が、フェニルボロン酸であることを特徴とする請求項1~7のいずれか1項記載のバイオセンサ。
- 前記電極が、前記電界効果トランジスタから離れて配置されており、前記ゲート絶縁膜上に設けた金属電極と配線を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項7記載のバイオセンサ。
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