被檢物質檢測傳感器的製作方法

2023-05-19 01:15:16

專利名稱：被檢物質檢測傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種被檢物質檢測傳感器，該被檢物質檢測傳感器是由對置電極和作用電極隔著絕緣體一體化而成，其通過使被檢物質，例如生物體中的蛋白質、生理活性物質等與作用電極的接觸而從輸出電壓的變化來檢測被檢物質傳感器，特別是涉及一種以少量的檢測量能夠迅速地檢測出被檢物質的被檢物質檢測傳感器。
背景技術：
用於對生物體中的蛋白質或微量成分的生理活性物質等進行檢測的被檢物質檢測傳感器除了具有分子識別元件之外，還具有作為轉換器的信號轉換元件。分子識別元件用於檢測化學反應或物理反應，通過信號轉換元件將檢測到的信號轉換為電信號，從而檢測被檢物質。作為如上述的傳感器的一種，有電場效應型電晶體(以下稱作FET)作為信號轉換元件的傳感器，實用化的傳感器有採用包括離子選擇性膜的離子感應性電場效應型電晶體的PH傳感器、葡萄糖傳感器等。將FET作為信號轉換元件，從而能夠使用現有的半導體製造技術實現傳感器的小型化、集成化。最近，人們希望實現與以往的抗體檢查試劑及裝置或病毒等的抗原檢查試劑及裝置相比，更加迅速、簡便並且以良好的靈敏度工作的傳感器。例如像專利文獻1、2所公開的，人們提出有幾種以FET作為信號轉換元件的生物傳感器。並且，也提出有二端元件作為信號轉換元件的傳感器(例如參照專利文獻3)。對於上述的傳感器，如專利文獻4所示，本發明人提出了一種二端信號轉換元件的傳感器，其構造簡單，具有能夠媲美FET作為信號轉換元件的傳感器的高靈敏度，而且構造自由度較高。但是，作為具備信號轉換元件的傳感器的例子，現今已實用化的傳感器只有上面所述的PH傳感器或葡萄糖傳感器等少數幾種。換言之，用於檢測生物體中的蛋白質或微量成分的生理活性物質等的、具備分子識別元件和信號轉換元件的被檢物質檢測傳感器還尚未實現實用化。專利文獻1 日本特開2005-218310號公報專利文獻2 日本特開2004-347532號公報專利文獻3 日本特開2004-108815號公報專利文獻4 日本特開2008-116210號公報

發明內容
發明要解決的問題本發明的目的在於提供一種電化學測量值的偏差較小的被檢物質檢測傳感器。用於解決問題的方案為了達到上述目的，本發明的第一技術方案的被檢物質檢測傳感器是由作用電極
4和對置電極隔著絕緣體一體化而成的，其通過讓被檢物質接觸作用電極而使輸出電壓產生變化，其特徵在於，作用電極形成為小於對置電極以及絕緣體並設置在絕緣體表面的一部分上，在絕緣體上形成有包圍作用電極的周壁，周壁起到收容被檢物質的儲存部的作用。具體是一種被檢物質檢測傳感器，該被檢物質檢測傳感器是由作用電極和對置電極隔著絕緣體一體化而成的，其通過讓被檢物質接觸作用電極而使輸出電壓產生變化，其中，對置電極形成為板狀，絕緣體覆蓋對置電極的上表面，作用電極設置在絕緣體表面的一部分上，在絕緣體上形成有包圍作用電極的周壁，作用電極和絕緣體間的接觸面積設定為小於對置電極和絕緣體間的接觸面積，並且在作用電極和對置電極上連接有電源。在第一技術方案中，周壁也可以形成在作用電極上。具體是一種被檢物質檢測傳感器，該被檢物質檢測傳感器是由作用電極和對置電極隔著絕緣體一體化而成的，其通過讓被檢物質接觸作用電極而使輸出電壓產生變化，其特徵在於，具有形成在作用電極上的壁部，壁部具有用於保持被檢物質的開口部，作用電極具有用於使絕緣體的表面暴露的開口部，保持在壁部的開口部內的被檢物質藉助作用電極的開口部與絕緣體的表面接觸。本發明的第二技術方案的被檢物質檢測傳感器的特徵在於，在第一被檢物質檢測傳感器中，相對於上述作用電極獨立地設有參照電極。本發明的第三技術方案的被檢物質檢測傳感器的特徵在於，在第二被檢物質檢測傳感器中，參照電極配置在上述儲存部的外側。本發明的第四技術方案的被檢物質檢測傳感的特徵在於，在第二被檢物質檢測傳感器中，參照電極以埋入的方式設置在形成上述儲存部的周壁內。本發明的第五技術方案的被檢物質檢測傳感器的特徵在於，在第二被檢物質檢測傳感器中，參照電極配置在儲存部內。本發明的第六技術方案的被檢物質檢測傳感器的特徵在於，在第一 第五技術方案中的任一個被檢物質檢測傳感器中，設置多個作用電極，在各個作用電極上分別設有上述儲存部。本發明的第七技術方案的被檢物質檢測傳感器的特徵在於，在第一 第六技術方案中的任一個被檢物質檢測傳感器中，在一個儲存部內配置多個作用電極。本發明的第八技術方案的被檢物質檢測傳感器的特徵在於，在第一 第七技術方案中的任一個被檢物質檢測傳感器中，儲存部積存規定量的被檢物質，以補償作用電極的穩定作用。本發明的第九技術方案的被檢物質檢測傳感器的特徵在於，在第一 第八技術方案中的任一個被檢物質檢測傳感器中，對形成上述儲存部的周壁付與防水性。本發明的第十技術方案的被檢物質檢測傳感器的特徵在於，在第一 第八技術方案中的任一個構造的被檢物質檢測傳感器中，對形成上述儲存部的周壁付與防油性。發明的效果與以往相比，本發明能夠以較高精度檢測輸出電壓的變化，因此，對於被檢物質能夠獲得穩定的電化學測量數據。這開拓了本傳感器的新的可能性，期待也能夠以電化學方式分析以往無法分析的物質差異。另外，在第二技術方案的被檢物質檢測傳感器 第五技術方案的被檢物質檢測傳感器中，設有作為基準的起到接地作用的參照電極，即電位不變化的參照電極。因而，即使在作用電極和參照電極上分別附著分子而電位產生偏差，由於參照電極表示基準，因此，也能夠確定作用電極的真正的電位。即，通過設置參照電極，能夠穩定地確定兩電極的電位。另外，在為了觀測抗原抗體反應的時效變化而對作用電極付與恆定電位的情況下，在作用電極表面的抗體中抗原開始反應，作用電極表面的電場變化時等，該參照電極也有利。在第二技術方案的被檢物質檢測傳感器 第五技術方案的被檢物質檢測傳感器中，如第四技術方案的被檢物質檢測傳感器所示，在構成儲存部的周壁內埋入參照電極，因此能夠完全避免參照電極汙損。並且，如第六技術方案的被檢物質檢測傳感器，在多個作用電極上分別設置儲存部，因此在上述優點的基礎上，還能夠同時處理多個樣本溶液。另外，如第七技術方案的被檢物質檢測傳感器，在一個儲存部內設置多個作用電極，因此即使在被檢物質不均勻地儲存在儲存部內的情況下，也能夠檢測出被檢物質的平均值，並且也能夠使一部分作用電極起到參照電極的作用，在這種情況下不需要設置相對於作用電極獨立的參照電極。並且，在第九技術方案的被檢物質檢測傳感器中，親水性的被檢物質不會沿著周壁上升，在第十技術方案的被檢物質檢測傳感器中，親油性的被檢物質不會沿著周壁上升，因此，阻止被檢物質從儲存部漏出。特別是，儲存部的容量越小，該阻止漏出的效果越對獲得穩定的檢測數據有利。


圖1的(a)是本發明實施方式涉及的、在儲存部中具有作用電極的單體被檢物質檢測傳感器的俯視圖，圖1的(b)是沿圖1的(a)的剖切線的縱剖視圖。圖2是表示在圖1的單體被檢物質檢測傳感器上配置有線路、電流表和電壓表的連接例的圖。圖3是本發明實施方式涉及的、在儲存部中除設有作用電極之外還設有參照電極的單體被檢物質檢測傳感器的縱剖視圖。圖4是本發明實施方式涉及的、在儲存部外設有參照電極的單體被檢物質檢測傳感器的縱剖視圖。圖5是本發明實施方式涉及的、在周壁中以埋入的方式設有參照電極的單體被檢物質檢測傳感器的縱剖視圖。圖6是本發明實施方式涉及的、在儲存部中設有作用電極和參照電極，並利用鹽橋將作用電極和參照電極隔離的單體被檢物質檢測傳感器的縱剖視圖。圖7是本發明實施方式涉及的、在儲存部中設有作用電極和參照電極，並利用周壁將該作用電極和參照電極完全隔離的單體被檢物質檢測傳感器的縱剖視圖。圖8是表示在圖7所示的單體被檢物質檢測傳感器上配置有線路、電流表和電壓表的連接例的圖。圖9的(a)是表示格柵形狀的作用電極或者參照電極的俯視圖，圖9的(b)是沿圖9的(a)的剖切線的縱剖視圖。圖10的(a)是表示環形形狀的作用電極或者參照電極的俯視圖，圖10的(b)是沿圖10的(a)的剖切線的縱剖視圖。圖11的(a)是表示網格型形狀的作用電極或者參照電極的俯視圖，圖11的(b) 是沿圖11的(a)的剖切線的縱剖視圖。圖12是表示由基板、絕緣膜、電極和以光致抗蝕劑製成的周壁構成的被檢物質檢測傳感器的結構的說明圖。圖13是本發明實施方式涉及的、包含單體被檢物質檢測傳感器的封裝的縱剖視圖。圖14是在圖13的封裝上安裝插座而成的單體被檢物質檢測傳感器單元的縱剖視圖。圖15是表示在圖14的封裝以及插座上設置圍擋，並且設定自由拆卸的外罩的單體被檢物質檢測傳感器裝置的圖。圖16是本發明實施方式涉及的、單體個數設為8個的多體式被檢物質檢測傳感器的俯視圖。圖17是表示本發明實施方式涉及的被檢物質檢測傳感器的反應場(re action field)的說明圖。圖18是表示現有的具有二端信號轉換元件的傳感器的反應場的說明圖。圖19是表示輸出電壓的抗原濃度依賴性的坐標圖，■表示抗體存在的條件下的反應、 表示抗體不存在的條件下的反應。
具體實施例方式下面，參照附圖更詳細地說明本發明。圖1的(a)是表示本發明的第一實施方式涉及的被檢物質檢測傳感器100的俯視圖，圖1的(b)是被檢物質檢測傳感器100的剖視圖。另外，圖2是表示在圖1所示的單體被檢物質檢測傳感器100上配置有線路、電流表、電壓表和電源的連接例的圖。被檢物質檢測傳感器100包括作用電極1、對置電極2、絕緣體3和周壁4。在下面有時將由上述部件構成的構造稱作被檢物質檢測傳感器主體部。對置電極2由具有作為半導體或者導體功能的材質形成為板狀。如上所述對置電極2形成為板狀，因此具有自保形性。由此，有助於使整個傳感器自保形。作為半導體物質， 已知有矽、鍺等的IV族元素，砒化鎵、磷化銦等III-V化合物，碲化鋅等II -VI化合物，等；作為導體物質，已知有鋁或鎳等，不管是那一種物質均能夠與下述實施例同樣地使用。板的厚度通常優選為0. Imm 1.0mm，更優選為0.3mm 0.5mm。在本實施方式中，對置電極2由矽基板構成。絕緣體3是用於使作用電極1和對置電極2絕緣的構件。作為絕緣體3，已知有氧化矽、氮化矽、氧化鋁、氧化鈦等無機化合物，或者丙烯酸類樹脂、聚醯亞胺等有機化合物等。在無機物質用作絕緣體的情況下，能夠利用蒸鍍等的方法將絕緣體做成膜狀而形成在上述對置電極2的表面，但在有機物質用作絕緣體的情況下，能夠通過將絕緣體薄膜粘貼在對置電極2的表面等來進行一體化。在絕緣體3的表面也可以導入羥基、氨基、羧基等官能團。在絕緣體膜表面固定化抗體等時，預先使官能團結合於絕緣體膜表面，從而在該
7官能團上結合抗體。由此，能夠實現更穩定的固定化、或者使抗體取向。絕緣體3的厚度通常優選為IOnm lOOOnm，更優選為20nm 500nm。絕緣體3 過薄時，可能會流有隧道電流，絕緣體3過厚時，有可能降低靈敏度。在本實施方式中，如圖1的(b)所示，在本例子中，絕緣體3以覆蓋對置電極2的整個上表面的方式形成為具有與對置電極2大致相同的面積。作用電極1是向對置電極2施加電壓的電極，夾著絕緣體3作用電極1與對置電極2 —體化而成。在本實施方式涉及的被檢物質檢測傳感器100中，作用電極1形成為與對置電極2的形狀不對稱。並且，作用電極1的材質與對置電極2的材質不同。具體是， 作用電極1的尺寸設定為小於對置電極2的上表面以及覆蓋對置電極2上表面的絕緣體3 的尺寸。即，作用電極1構成為僅覆蓋絕緣體3的一部分。由此，絕緣體3的表面的局部暴露。作用電極1與絕緣體3之間的接觸面積設定為小於對置電極2與絕緣體3之間的接觸面積。作為作用電極1的材質，優選使用金、白金、鈦、鋁等金屬，或者也可以使用導電性塑料等。作用電極1的形狀優選為使樣本溶液每單位體積的接觸面積增大的形狀。由此， 作用電極1易於受到樣本溶液的介電常數等的影響，能夠靈敏度較高地檢測出樣本溶液所含有的被檢物質的濃度。另外，為了使樣本溶液每單位體積的接觸面積增大，例如將作用電極1的形狀做成具有多個開口部的形狀即可。具有多個開口部的形狀例子有圖9所示的格柵形、圖10所示的同心圓形或者環形、圖11所示的網格形等。在圖9所示的由金屬構成的格柵形狀的作用電極的情況下，該金屬的每個柵條的寬度優選為ΙΟμπι 數百ym左右的細度。柵條的寬度窄到上述的程度時，能夠擴大電極的開口部面積，因此，能夠根據需要，在該開口部區域的絕緣膜上結合較多的被檢物質識別分子。另一方面，柵條的寬度過窄至小於IOym時，自作用電極流到薄膜狀的樣本溶液中的電流值減少，難以顯示作為電極的效果。可以想到這是因為作用電極下的電場構造從「面」 變為「線」，因此與矽基板或絕緣膜垂直的電力線在作用電極下以放射狀分散，無法得到強度充分高的電場。在由金屬構成的格柵形狀的作用電極中，作用電極之間的間隔、即柵條之間的間隔優選為ΙΟΟμπι 200μπι左右。其目的在於，根據需要在該開口部區域的絕緣膜結合較多的被檢物質識別分子，並且提供足夠大的反應場。另外，考慮到增大樣本溶液每單位體積的作用電極的有效接觸面積，作用電極的高度優選為0. 1 μ m 數百μ m左右。本實施方式的被檢物質檢測傳感器100包括包圍作用電極1的整體或者一部分的周壁4。周壁4形成在絕緣體3的表面。由該周壁4和絕緣體3構成儲存部11。該儲存部 11起收容樣本溶液的容器的作用。作為周壁的表面特性，期望與被檢物質的特性相排斥，在被檢物質為親水性時，周壁的表面優選為防水性，在被檢物質為親油性時，周壁的表面優選為防油性。其目的在於， 使液狀的被檢物質不會越過周壁的表面流出到儲存部11外。作為如上所述的周壁的材質， 例如能夠適當地使用Clariant Japan制的AZ5214E等的光致抗蝕劑、PIQ等的聚醯亞胺樹脂等的防水性樹脂、或以Teflon(商標)為代表例的氟基樹脂等。另外，也可以不將該樹脂用作構成材料，而用作周壁表面的塗敷劑。儘量使儲存在儲存部11中的被檢物質的深度均勻，這對得到穩定數據有利。因此，期望將絕緣體3的作為儲存部11底部的表面形成得較平坦，並使周壁4高度恆定。儲存部11的收容量是根據被檢物質的電氣特性來確定的，但檢測如下述實施例的生物體材料時，儲存部11的收容量優選為0. 001 μ L 25 μ L (微升)，更優選為0. 1 μ L 2· 0μ L。另外，周壁的高度通常設定為1 μ m 2mm，優選為2 μ m 10 μ m，以使周壁的高度比作用電極1的高度高而由被檢物質覆蓋上述作用電極的上表面。由周壁和絕緣膜圍成的空間成為儲存部11，能夠在此保持規定量的樣本溶液。周壁為防水性構件時，通常樣本溶液如水溶液會自儲存部11向上冒的方式湧起，但樣本溶液通常不會流出到儲存部外。上述儲存部11的俯視形狀並沒有特別的限制，但從製造容易性的方面考慮，通常優選為方形(包含長方形)或者圓形(包含橢圓形)。考慮到處理的容易性、反應場的範圍、所需的樣本溶液量等，在方形情況下，邊長優選為2mm 4mm左右，或者在圓形情況下， 直徑優選為2mm 4mm左右。在本發明的被檢物質檢測傳感器100中，根據需要也可以在絕緣膜上設置相對於作用電極1獨立的參照電極6。如圖3所示，參照電極6既可以設置在儲存部11中，也可以如圖4所示，參照電極6設置在儲存部11中。也可以如圖5所示，將參照電極6埋入周壁 4中。如圖6所示，也可以在儲存部11中設置作用電極1以及參照電極6，並利用能夠形成鹽橋7的周壁4』將作用電極1和參照電極6隔離。如圖7所示，也可以在儲存部11中設置作用電極1以及參照電極6，利用周壁4將該作用電極1和參照電極6隔離。圖8是表示在圖7所示的單體被檢物質檢測傳感器主體部上配置有線路、電流表和電壓表的連接例的圖。圖8中的附圖標記18是恆電位儀(potentiostat)。本發明的被檢物質檢測傳感器100能夠利用公知的半導體製造技術、即電子束刻畫法或光刻法等來製造。在由矽等構成的基板狀的對置電極2、即在矽基板的上表面形成絕緣體3，在該絕緣體3的上表面形成所需圖案的作用電極1及/或參照電極6 (金屬)。在作用電極1及/或參照電極6的周圍形成所需圖案的周壁4而構成儲存部11。圖12表示對置電極2、絕緣體3、作用電極1、以及利用光致抗蝕劑製成的周壁4的結構例。實際上對置電極2、絕緣體3、作用電極1以及周壁4互相貼合著。在上述圖1 圖11的被檢物質檢測傳感器100中，在作用電極1的周圍形成所需圖案的周壁4而夠成儲存部11，但也可以替代這些周壁4而構成為如圖12所示的結構。在圖12的結構例中，在作用電極1上形成有周壁。該周壁與上述周壁4是相同的材料，但配置位置不同，因此以下稱作壁部4A。該壁部4A具有用於保持試樣的開口部4B。在配置於該開口部4B下側的作用電極1的區域中形成有用於使絕緣體3的表面暴露的開口部1A。 因此，保持在壁部4A的開口部4B內的試樣溶液經由作用電極1的開口部IA與絕緣體3的表面接觸。作用電極1的開口部IA的形狀和數量並不限定於在圖12表示的形狀和數量， 例如也可以是圖9所示的格柵形、圖10所示的同心圓形或者環形、圖11所示的網格形等。形成在作用電極1上的壁部4A或者形成在作用電極1周圍的周壁4除了是覆蓋整個開口的形狀之外，例如也可以是形成為壁的一部分被切去的俯視C字型。
使用這樣得到的被檢物質檢測傳感器100，能夠組裝包含單體被檢物質檢測傳感器主體部的封裝(參照圖13) 110、在該封裝110上安裝插座14而成的單元(參照圖 14) 120、以及在該單元120上設置圍擋15並安裝能夠自由拆卸的、例如透明的外罩16而成的單體被檢物質檢測傳感器裝置(參照圖15)130。具體是，在圖13所示的封裝110中，在玻璃環氧基板10上設有對置電極2。在該對置電極2上形成有電極焊盤8A和絕緣體3。電極焊盤8A藉助接合線9A連接於電極焊盤 8B。電極焊盤8B以貫穿玻璃環氧基板10的方式安裝。在絕緣體3上形成有作用電極1和包圍該作用電極1的周壁4。作用電極1藉助接合線9B連接於形成在絕緣體3上的電極焊盤8C。電極焊盤8C藉助接合線9C連接於電極焊盤8D，該電極焊盤8D以貫穿玻璃環氧基板10的方式安裝。在圖14所示的單元120中，圖13所示的封裝110固定在固定臺50的上表面。在固定臺50上，在與電極焊盤8B和電極焊盤8D相對應的位置形成有貫穿固定臺50的孔51。 底座14藉助多個彈簧13安裝在該固定臺50的下方。彈簧13以將固定臺50從底座14拉開的方式施力。自底座14的上表面向上方突出有銷狀電極12、銷狀電極12。該銷狀電極 12、銷狀電極12插入到固定臺50的孔51中，在克服彈簧13的作用力，將固定臺50向底座側按壓時，銷狀電極12、銷狀電極12接觸於電極焊盤8B、電極焊盤8D。由此，來自圖中省略的電源裝置的電力經由電極焊盤8B、電極焊盤8D供給到被檢物質檢測傳感器100。在以上說明的本發明的實施方式涉及的被檢物質檢測傳感器100中，自作用電極 1引出的電力線的大部分經由作為絕緣體膜的絕緣體3進入到由矽基板構成的對置電極2 中。作用電極的洩漏電場對檢測有貢獻。在此，圖17是本發明涉及的被檢物質檢測傳感器100的反應場R的說明圖。如圖 18所示，現有的具有二端信號轉換元件的傳感器的反應場R限制在作用電極的上表面。在本發明涉及的被檢物質檢測傳感器100中，以使從接觸於被檢物質的作用電極側面引出的電力線A的大部分經由作用電極1周圍的絕緣體3進入到對置電極2中，反應場R構成範圍較大。如上所述，採用被檢物質檢測傳感器100，能夠在作用電極1周圍的絕緣體膜的大範圍且平坦的區域施加相同的電場。由此，與現有的傳感器相比，採用被檢物質檢測傳感器100能夠以較高精度獲得對於相同的被檢物質的電壓，因此能夠得到穩定的電化學測量數據。在以上的說明中配置在一個對置電極2上的作用電極1的數量為一個，但作用電極1的數量也可以是多個。圖16表示在一個對置電極2上設有多個作用電極1和在各個作用電極1上設有儲存部11的多單體式被檢物質檢測傳感器。作為例子，表示了單體數為 8個的多單體式被檢物質檢測傳感器100。在這種情況下，優選使用PN接合等將各作用電極之間電分離，使各個作用電極能夠獨立地送出檢測數據。在本發明的被檢物質檢測傳感器100的儲存部中的絕緣體3上，既可以利用異質法(heterogeneous)預先結合抗體或酵素等被檢物質識別分子，或者也可以不結合這些被檢物質識別分子，而作為均質法(homogeneous)用於溶液反應。通過接合被檢物質識別分子，能夠特別地檢測特定的蛋白質或化學物質等，從而能夠用作生物傳感器。實施例1製作圖16所示的8單體集成型被檢物質檢測傳感器(T0005，實施例1)。作為對置電極2，使用在單面形成有膜厚0. 3 μ m的S^2膜作為絕緣體3的矽基板。矽基板的尺寸為邊長為15mm的正方形，厚度為550 μ m。作為作用電極1使用厚度0. 77 μ m的格柵狀金電極 (參照圖12)，作為形成儲存部的周壁4，使用光致抗蝕劑(Clariant Japan制的AZ5214E)。 光致抗蝕劑的厚度為2 μ m，儲存部的直徑為2mm。另外，作為比較例，製作不具備儲存部11 的8單體集成型被檢物質檢測傳感器(T0020，比較例1)。觀察本發明的被檢物質檢測傳感器(T00(^)和比較用傳感器(Τ0020)的動作特性。將各個傳感器晶片按照圖2進行連接並觀察其動作特性。但是，電源作為交流電源使用函數發生器，替代電流表使用示波器。利用微量移液管向各傳感器的反應場中分別滴入一定量、例如1 μ L的超純水、磷酸鹽緩衝液(Phosphate buffered saline以下簡稱為PBQ及血清，並比較輸出電壓的最大值。使用函數發生器輸入電壓為50mV、頻率為IOOHz的正弦波，使用示波器測量其輸出電壓。示波器的輸出電壓以16個周期的平均值表示，在自動測定模式下獲取其最大值。電壓值的最小單位是4mV。獲得的數據歸納在表1中。作為函數發生器，使用巖通計測株式會社制的函數發生器SG-4104，作為示波器，使用巖通計測株式會社制的數字示波器DS-5102。^ 1縱行1 :電極編號、平均值；橫行1 本發明的傳感器及比較用傳感器的輸出電壓的比較(單位mV)；橫行2 滴入樣本之前、滴入超純水之後、滴入PBS之後、滴入血清之後；橫行3 實施例1、比較例1...；在滴入樣本之前，兩個傳感器均顯示標準偏差0. OmV，表示反應場的均勻性。滴入了超純水時，在兩個傳感器之間未發現顯著的電壓差，但滴入了 PBS、血清的情況下，兩傳感器之間的電壓差較大。滴入了血清的情況下，在比較例1中顯示的標準偏差為3. 9mV，相反在實施例1中顯示為2mV，與比較例1相比實施例1中的偏差減小到近一半。滴入了 PBS的情況下，在比較例1中顯示的標準偏差為5. 8mV，相反在實施例1中顯示為1. 3mV，與比較例 1相比實施例1中偏差減小到近1/4。作為輸出電壓值的偏差存在較大的差的主要原因之一，可以認為，在具備儲存部 11的情況下，樣本接觸單體底部的反應場的面積恆定，在不具備儲存部11的情況下，接觸反應場的面積不恆定。此外，另一方面，在滴入超純水的情況下，推斷為由於較高的表面張力，溶液不擴散，而易於保持接觸反應場的面積的恆定，因此，兩個傳感器的輸出電壓值的偏差較小。另外，與具備儲存部的實施例1相比，在不具備儲存部的比較傳感器的情況下， 輸出電壓的平均值因滴入超純水增大2. 5mV,因滴入PBS增大4mV，因滴入血清增大5mV。在比較例的傳感器的情況下，可以想到在標準偏差的大小的基礎上，還包含有系統錯誤。另外，在後述的實施例2中作為溶劑使用PBS，但在不具備單體被檢物質檢測傳感器的比較例1中，使用PBS的情況下的標準偏差為5. 8mV,大大超過坐標圖上的最小刻度、即 2mV(參照圖19)，因此，難以將其用於抗原抗體反應的高靈敏度的檢測。實施例2均質法、交流測量作為實施例1所示的被檢物質檢測傳感器，使用8單體集成型被檢物質檢測傳感器，利用均質法和交流測量對特定的蛋白質、即甲型胎兒蛋白(a-fetoprotein以下簡稱為AFP)進行檢測和測定。過程如下。(1)將濃度為100ng/mL的抗AFP ( α -fetoprotein)抗體的PBS稀釋液分別向4根試驗管各注入5 μ L0如上所述準備含有抗體的試驗管。(2)向4根試驗管分別注入不含有AFP的PBS各5 μ L。如上所述準備不含抗體的
試驗管。(3)將濃度為 0. Ong/mL、1. 6ng/mL、6. 25ng/mL、25ng/mL 的 AFP 的 PBS 稀釋液 5 μ L
滴入上述各系列的試驗管中、即含有抗體的試驗管和不含有抗體的試驗管中，並進行攪拌。 結果，得到含有以下8種反應溶液的試驗管。·樣本 A =AFP 抗體(100ng/mL) 5 μ L+AFP 抗原(0ng/mL) (PBS) 5 μ L·樣本 B :AFP 抗體(100ng/mL) 5 μ L+AFP 抗原(1. 6ng/mL) 5 μ L·樣本 C :AFP 抗體(lOOng/mL) 5 μ L+AFP 抗原(6. 25ng/mL) 5 μ L·樣本 D :AFP 抗體(100ng/mL) 5 μ L+AFP 抗原(25ng/mL) 5 μ L·樣本 E :PBS 5 μ L+AFP 抗原(Ong/mL) (PBS) 5 μ L·樣本 F :PBS 5 μ L+AFP 抗原(1. 6ng/mL) 5 μ L·樣本 G :PBS 5 μ L+AFP 抗原(6. 25ng/mL) 5 μ L·樣本 H :PBS 5 μ L+AFP 抗原(25ng/mL) 5 μ L(4)將上述各試驗管密封，在室溫下保存一晝夜。(5)向1個晶片上的8個單體分別滴入0. 85 μ L的上述8種反應溶液。(6)在電極之間施加振幅為10V、頻率為20Hz的正弦波的電壓，針對濃度不同的每個單體持續測量輸出電壓。(7)使用3個另外的8單體集成型被檢物質檢測傳感器進行相同的實驗，取輸出電壓的平均值。以下的表2表示存在抗體的情況和不存在抗體的情況下的與抗原濃度相應的輸出電壓的最大值、即平均值的結果。MJl橫行1 樣本、抗體、抗原濃度、輸出電壓最大值的平均值；縱行2 有...無...；圖19是用坐標圖表示了表2的結果。圖中的■表示僅含有抗原的樣本溶液系列， 表示含有抗原和抗體樣本溶液系列。從該圖可知，在僅含有抗原的樣本溶液系列中，顯示更接近恆定值的電壓特性，另一方面，在含有抗原和抗體的樣本溶液系列中，隨著抗原濃度的增大，輸出電壓降低。可以想到這是因為含有抗原抗體兩者的樣本溶液系列的電特性取決於抗原抗體反應。另外，在該實施例中，利用在被檢物質檢測傳感器的絕緣體3上不預先結合抗體的均質法進行了試驗，但可以利用在被檢物質檢測傳感器的絕緣體3上預先結合抗體的的異質法，而且，也可以替代交流測量而使用直流測量。圖3 圖7表示相關參照電極的配置的例子。該傳感器的製造過程與已經說明的傳感器的製造過程相同，因此，在此省略說明。圖3表示在儲存部11的內部設有作用電極1之外還設有參照電極6的構造。在作用電極1和對置電極2這兩個電極中，即使能夠確定兩者的電位差，只要分子附著在電極上，並且各個電位、特別是基板上的電極電位產生偏差，就無法確定真正的電位。因此，只要設置作為基準起到接地作用的、即電位不變化的參照電極6，就能夠確定兩電極的電位。另外，欲觀測抗原抗體反應的時效變化時，在對作用電極1付與恆定電位的情況下，在表面的抗體中抗原開始反應，上述參照電極6對表面的電場已變化時等有利。另外， 線路與圖8相同。圖4表示在儲存部11的外側設置參照電極6的構造。電化學單體被檢物質檢測傳感器中的參照電極6的接地位置與作用電極1和對置電極2在相同的單元內。在如圖4、圖5、圖7、圖8所示的構造中，參照電極6無法起到作為通常的電化學意義的參照電極的作用。但是，在被檢物質檢測傳感器中，自基板上的作用電極1或參照電極6引出的電力線的大部分經由絕緣體膜進入到基板中。所謂的作用電極1 的洩漏電場對檢測有貢獻。因此，即使將參照電極6暴露在外部，對置電極2與參照電極6 之間的電位差也保持恆定，通過測量參照電極6與作用電極1的電位差，能夠確定參照電極 6的電位。圖5表示在周壁4中埋入參照電極6的構造。與圖4相同的理由起到作為參照電極6的作用，但與在圖4中的暴露參照電極6 的情況相比，在圖5參照電極6埋入設置，從而能夠防護參照電極6。在參照電極6暴露的情況下，如圖16所示的多個電極之中，能夠使用其中的任意電極作為參照電極6，但參照電極6有可能被儲存部11的樣本或灰塵汙損。為了避免這一點，在周壁4中預先埋入專用於參照電極6的電極，由此能夠進行穩定的電位測量。圖6表示在儲存部中設置作用電極1和參照電極6，並且作用電極1和參照電極6 利用分隔壁、即鹽橋7隔離的構造。被檢物質主要是蛋白質，在抗原抗體反應中的電荷狀態一般不被視為問題。但是， 鑑於本發明人的經驗，在離子性較高而易於帶電的被檢物質、例如鈣配位的鈣調蛋白等中具有能夠獲得高靈敏度的傾向，但有可能帶電。對於上述的樣本，使用鹽橋控制離子濃度， 從而有可能獲得穩定的反應。可以想到，將來對一個檢體檢測其他項目時，在反應場之間設置離子交換膜，從而在一定程度上能夠避免被檢物質的交叉。在鈣調蛋白為被檢物質的情況下，可以想到設置鈣離子的交換膜會有效。根據被檢物質的不同，需要準備相應的交換膜。對一個檢體檢測其他項目時，在多個被檢物質的尺寸不同的情況下，可以想到使鹽橋的尺寸或直徑與被檢物質的尺寸相配合，有選擇地使被檢物質通過鹽橋。圖7表示在儲存部11中設置作用電極1以及參照電極6，並利用周壁4完全隔離該作用電極1和參照電極6的構造。在這種情況下，雖然起到作為參照電極6的作用，但在圖7中，在使參照電極6接地的儲存部11中僅收容抗體，並且向作用電極1側的儲存部11 中滴入相同量的抗體之外還滴入被檢物質的抗原。由此，根據參照電極和作用電極的電位差，能夠確定隨著抗原的量、抗原抗體反應的進行而產生的溶液介電常數的變化。附圖標記說明1、作用電極；2、對置電極；3、絕緣體；4、4』、周壁；5、試樣溶液；6、參照電極；7、分隔壁-M 8D、電極焊盤-M 9C、接合線；10、玻璃環氧基板；11、儲存部；12、銷狀電極； 13、彈簧；14、插座；15、圍擋；16、罩；17、開口部；18、恆電位儀；21、作用電極；22、對置電極；23、絕緣體；24、周壁；25、試樣溶液；100、被檢物質檢測傳感器；110、封裝；120、單元； 130、被檢物質檢測傳感器裝置；R、反應場。附圖標記翻譯
圖19
輸出電壓的濃度依賴性
縱軸輸出電壓；
橫軸濃度；
抗原+抗體、抗原+PBS。
權利要求
1.一種被檢物質檢測傳感器，該被檢物質檢測傳感器是由作用電極和對置電極隔著絕緣體一體化而成的，其通過讓被檢物質接觸上述作用電極而使輸出電壓產生變化，其特徵在於，上述作用電極形成為小於上述對置電極以及上述絕緣體並設置在上述絕緣體表面的一部分上；在上述絕緣體上形成有包圍上述作用電極的周壁，該周壁起到收容被檢物質的儲存部的作用。
2.一種被檢物質檢測傳感器，該被檢物質檢測傳感器是由作用電極和對置電極隔著絕緣體一體化而成的，其在上述作用電極和上述對置電極上連接電源並通過讓被檢物質接觸上述作用電極而使輸出電壓產生變化，其特徵在於，上述對置電極形成為板狀，上述絕緣體覆蓋上述對置電極的上表面，上述作用電極設置在上述絕緣體表面的一部分上，而上述作用電極和上述絕緣體之間的接觸面積設定為小於上述對置電極和上述絕緣體之間的接觸面積；在上述絕緣體上形成有包圍上述作用電極的周壁，該周壁起到收容上述被檢物質的儲存部的作用。
3.一種被檢物質檢測傳感器，該被檢物質檢測傳感器是由作用電極和對置電極隔著絕緣體一體化而成的，其通過讓被檢物質接觸上述作用電極而使輸出電壓變化，其特徵在於，具有形成在上述作用電極上的壁部；上述壁部具有用於收容上述被檢物質的開口部；上述作用電極具有使上述絕緣體的表面暴露的開口部；收容在上述壁部的開口部內的上述被檢物質經由上述作用電極的開口部接觸上述絕緣體的表面。
4.根據權利要求1 3中任一項所述的被檢物質檢測傳感器，其特徵在於， 相對於上述作用電極獨立地設有參照電極。
5.根據權利要求4所述的被檢物質檢測傳感器，其特徵在於， 上述參照電極配置在上述儲存部的外側。
6.根據權利要求4所述的被檢物質檢測傳感器，其特徵在於， 上述參照電極被埋在上述周壁中。
7.根據權利要求4所述的被檢物質檢測傳感器，其特徵在於， 上述參照電極配置在上述儲存部內。
8.根據權利要求1 7中任一項所述的被檢物質檢測傳感器，其特徵在於， 設置多個上述作用電極，在各個作用電極上分別設有上述儲存部。
9.根據權利要求1 7中任一項所述的被檢物質檢測傳感器，其特徵在於， 在一個儲存部內配置有多個作用電極。
10.根據權利要求1 8中任一項所述的被檢物質檢測傳感器，其特徵在於， 在上述儲存部中積存規定量的被檢物質，以補償作用電極的穩定作用。
11.根據權利要求1 10中任一項所述的被檢物質檢測傳感器，其特徵在於， 形成上述儲存部的周壁具有防水性。
12.根據權利要求1 10中任一項所述的被檢物質檢測傳感器，其特徵在於，形成上述儲存部的周壁具有防油性。
全文摘要
本發明提供一種電化學測量值的偏差較小的被檢物質檢測傳感器，該被檢物質檢測傳感器(100)是由作用電極(1)和對置電極(2)隔著絕緣體(3)一體化而成的，其通過讓被檢物質接觸作用電極(1)而使輸出電壓產生變化，其中，作用電極(1)形成為小於對置電極(2)以及絕緣體(3)並設置在絕緣體(3)的表面的一部分上，在絕緣體(3)上形成有包圍作用電極(1)的周壁(4)，周壁(4)起到收容被檢物質的儲存部的作用。
文檔編號G01N27/416GK102449468SQ201080022918
公開日2012年5月9日 申請日期2010年3月26日 優先權日2009年3月26日
發明者澤村誠 申請人:獨立行政法人物質·材料研究機構