JP2633281B2 - 電気化学センサ及びその製造方法 - Google Patents
電気化学センサ及びその製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は溶液中の化学物質濃度を測定する電気化学セ
ンサに関し、特に、溶液から取出した後、再度浸漬した
場合にも安定したベースラインが得られる電気化学セン
サに関するものである。
ンサに関し、特に、溶液から取出した後、再度浸漬した
場合にも安定したベースラインが得られる電気化学セン
サに関するものである。
［従来の技術］ 従来、溶液中の特定の有機物の濃度を測定する半導体
イオンセンサの一種として、イオン感受性電界効果型ト
ランジスタ（以下、ISFETと称する）の表面に酵素を固
定化した膜が設けられたISFETバイオセンサが知られて
いる｛宮原裕二、塩川祥子、森泉豊栄、松岡英明、軽部
征夫、鈴木周一；「半導体技術を用いたバイオセンサ」
電子通信学会、電子部品材料研究会資料CPM81−93、61
（1981）｝。このISFETバイオセンサは、溶液中の特定
の有機物が酵素固定化膜中で酵素の触媒作用によって分
解された時に生ずる膜中の水素イオン濃度の変化をISFE
Tで検出することにより、特定の有機物の濃度を測定す
るものである。この選択性を持つ酵素固定化膜の例とし
ては、たとえば尿素検出用としてウレアーゼ固定化膜、
グルコース検出用としてグルコースオキシダーゼ固定化
膜などが知られている｛センサーズ・アンド・アクチュ
エイターズ（Sensors and Actuators）、第７巻、１〜1
0頁（1985）｝。
イオンセンサの一種として、イオン感受性電界効果型ト
ランジスタ（以下、ISFETと称する）の表面に酵素を固
定化した膜が設けられたISFETバイオセンサが知られて
いる｛宮原裕二、塩川祥子、森泉豊栄、松岡英明、軽部
征夫、鈴木周一；「半導体技術を用いたバイオセンサ」
電子通信学会、電子部品材料研究会資料CPM81−93、61
（1981）｝。このISFETバイオセンサは、溶液中の特定
の有機物が酵素固定化膜中で酵素の触媒作用によって分
解された時に生ずる膜中の水素イオン濃度の変化をISFE
Tで検出することにより、特定の有機物の濃度を測定す
るものである。この選択性を持つ酵素固定化膜の例とし
ては、たとえば尿素検出用としてウレアーゼ固定化膜、
グルコース検出用としてグルコースオキシダーゼ固定化
膜などが知られている｛センサーズ・アンド・アクチュ
エイターズ（Sensors and Actuators）、第７巻、１〜1
0頁（1985）｝。
また、絶縁基板上に形成された貴金属電極上に酵素固
定化膜を設け、酵素反応によって生じた過酸化水素をア
ンペロメトリーによって計測するという原理に基づいた
電気化学センサも発表されている｛第４回化学センサー
研究会予稿集、21〜22頁（1985）｝。
定化膜を設け、酵素反応によって生じた過酸化水素をア
ンペロメトリーによって計測するという原理に基づいた
電気化学センサも発表されている｛第４回化学センサー
研究会予稿集、21〜22頁（1985）｝。
しかし、電気化学センサを実用化に際して微小化しよ
うとした場合に問題となるのは、参照電極を微小化でき
ないという点である。そこでこのような問題を回避する
手段として、疑似参照電極と２つの電極を用いて、差動
出力を計測することが一般に行われている。すなわち、
疑似参照電極を共通とした２つの電気化学センサのう
ち、一方を酵素固定化膜を形成した酵素電極とし、他方
を何も設けていない差動用参照電極とすることにより、
酵素電極の出力と差動用参照電極の出力の差、いわゆる
差動出力を測定するのである。この方式に従えば、種々
の測定溶液中のドリフトなどの影響を無視でき、酵素反
応による被測定物質だけの変化を測定することができ
る。また、疑似参照電極についても金属などを使用する
ことにより微小化することが可能となる。
うとした場合に問題となるのは、参照電極を微小化でき
ないという点である。そこでこのような問題を回避する
手段として、疑似参照電極と２つの電極を用いて、差動
出力を計測することが一般に行われている。すなわち、
疑似参照電極を共通とした２つの電気化学センサのう
ち、一方を酵素固定化膜を形成した酵素電極とし、他方
を何も設けていない差動用参照電極とすることにより、
酵素電極の出力と差動用参照電極の出力の差、いわゆる
差動出力を測定するのである。この方式に従えば、種々
の測定溶液中のドリフトなどの影響を無視でき、酵素反
応による被測定物質だけの変化を測定することができ
る。また、疑似参照電極についても金属などを使用する
ことにより微小化することが可能となる。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このタイプの電気化学センサは、溶液
中以外では回路が絶縁状態になるため、測定溶液の交換
などの際には一旦回路が切断することによって、センサ
のベースラインが移動したり、ベースラインが安定する
までに時間を要する等の問題点があった。
中以外では回路が絶縁状態になるため、測定溶液の交換
などの際には一旦回路が切断することによって、センサ
のベースラインが移動したり、ベースラインが安定する
までに時間を要する等の問題点があった。
本発明は以上述べたような従来の問題点を解決するた
めになされたもので、測定溶液の交換等により、センサ
を溶液から取出した後、再び溶液中に入れた場合にも直
ちに安定したベースラインが得られる電気化学センサを
提供することを目的とする。
めになされたもので、測定溶液の交換等により、センサ
を溶液から取出した後、再び溶液中に入れた場合にも直
ちに安定したベースラインが得られる電気化学センサを
提供することを目的とする。
［課題を解決するための手段］ 本発明は、センサの電極部および参照電極が互いに連
続した含水性ポリマーで覆われ、前記参照電極が疑似参
照電極と差動用参照電極からなり、かつ前記含水性ポリ
マー上には前記センサの電極部上部に位置する領域に固
定化酵素膜が形成されてなることを特徴とする電気化学
センサである。また、酵素用イオン感受性電界効果トラ
ンジスタと参照用イオン感受性電界効果トランジスタお
よび疑似参照電極を有し、前記酵素用イオン感受性電界
効果トランジスタの電極と前記参照用イオン感受性電界
効果トランジスタの電極と前記疑似参照電極が互いに連
続した含水性ポリマーで覆われ、かつ前記含水性ポリマ
ー上には前記酵素用イオン感受性電界効果トランジスタ
電極部上部に位置する領域に固定化酵素膜が形成されて
なることを特徴とする電気化学センサである。その製造
方法は、酵素用イオン感受性電界効果トランジスタと参
照用イオン感受性電界効果トランジスタおよび疑似参照
電極が形成された基板上の電極部全面に含水性ポリマー
を塗布する工程と、フォトレジストを塗布し少なくとも
前記酵素用イオン感受性電界効果トランジスタのゲート
部の上部に位置する領域に開口部を形成する工程と、前
記開口部の前記含水性ポリマー上に固定化酵素膜を塗布
する工程と、前記フォトレジストを除去する工程を有す
ることを特徴とする。またその電気化学センサは、少な
くとも２個のイオン感受性電界効果トランジスタと１個
の金属参照電極からなることを好適とするものである。
続した含水性ポリマーで覆われ、前記参照電極が疑似参
照電極と差動用参照電極からなり、かつ前記含水性ポリ
マー上には前記センサの電極部上部に位置する領域に固
定化酵素膜が形成されてなることを特徴とする電気化学
センサである。また、酵素用イオン感受性電界効果トラ
ンジスタと参照用イオン感受性電界効果トランジスタお
よび疑似参照電極を有し、前記酵素用イオン感受性電界
効果トランジスタの電極と前記参照用イオン感受性電界
効果トランジスタの電極と前記疑似参照電極が互いに連
続した含水性ポリマーで覆われ、かつ前記含水性ポリマ
ー上には前記酵素用イオン感受性電界効果トランジスタ
電極部上部に位置する領域に固定化酵素膜が形成されて
なることを特徴とする電気化学センサである。その製造
方法は、酵素用イオン感受性電界効果トランジスタと参
照用イオン感受性電界効果トランジスタおよび疑似参照
電極が形成された基板上の電極部全面に含水性ポリマー
を塗布する工程と、フォトレジストを塗布し少なくとも
前記酵素用イオン感受性電界効果トランジスタのゲート
部の上部に位置する領域に開口部を形成する工程と、前
記開口部の前記含水性ポリマー上に固定化酵素膜を塗布
する工程と、前記フォトレジストを除去する工程を有す
ることを特徴とする。またその電気化学センサは、少な
くとも２個のイオン感受性電界効果トランジスタと１個
の金属参照電極からなることを好適とするものである。
［作用］ センサの電極部と参照電極が含水性ポリマーでつなが
っているため、溶液から離してもセンサ上の含水性ポリ
マー中には水分が含まれているので、この水分が乾燥す
るまでは回路は切れることがない。したがって、測定溶
液交換などの際も、回路が切断することによるベースラ
インの移動や安定するまでに時間がかかるなどの問題が
起らない安定した電気化学センサを実現することができ
る。
っているため、溶液から離してもセンサ上の含水性ポリ
マー中には水分が含まれているので、この水分が乾燥す
るまでは回路は切れることがない。したがって、測定溶
液交換などの際も、回路が切断することによるベースラ
インの移動や安定するまでに時間がかかるなどの問題が
起らない安定した電気化学センサを実現することができ
る。
［実施例］ 以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に
説明する。
説明する。
第１図は、本発明の一実施例である酵素センサの電極
構造を示す概略平面図である。疑似参照電極２を共通と
する、参照用イオン感受性電界効果トランジスタ（REFE
T）１と酵素用イオン感受性電界効果トランジスタ（ENF
ET）３の２対のセンサは、連続した含水性ポリマーより
なる膜４で覆われ、ENFET3のゲート12上には酵素固定化
膜５が形成されている。なお、疑似参照電極２には、
金、白金、銀、銅、カーボン、ステンレスが使用され、
REFET1とENFET3は、ソース8,11、ゲート9,12、ドレイン
10,13が形成されている。含水性ポリマー膜４は本実施
例ではアルブミンを主成分とする0.5μｍの架橋膜を用
いたが、それ以外に主成分としてコラーゲン、ゼラチン
等のタンパク質、マンナン、アルギン酸、κ−カラギナ
ン、キチン、キトサン等の多糖類が使用可能である。従
来は、含水性ポリマー膜４がなかったために、溶液中以
外では、回路が切断されてしまったが、本実施例の電極
構造によれば、REFET1と疑似参照電極２間および疑似参
照電極２とENFET3間の回路が溶液外でも切れることがな
く、導通している回路のベースラインが移動したり、も
とのベースラインへ安定するまで時間がかかるという問
題が起らない。
構造を示す概略平面図である。疑似参照電極２を共通と
する、参照用イオン感受性電界効果トランジスタ（REFE
T）１と酵素用イオン感受性電界効果トランジスタ（ENF
ET）３の２対のセンサは、連続した含水性ポリマーより
なる膜４で覆われ、ENFET3のゲート12上には酵素固定化
膜５が形成されている。なお、疑似参照電極２には、
金、白金、銀、銅、カーボン、ステンレスが使用され、
REFET1とENFET3は、ソース8,11、ゲート9,12、ドレイン
10,13が形成されている。含水性ポリマー膜４は本実施
例ではアルブミンを主成分とする0.5μｍの架橋膜を用
いたが、それ以外に主成分としてコラーゲン、ゼラチン
等のタンパク質、マンナン、アルギン酸、κ−カラギナ
ン、キチン、キトサン等の多糖類が使用可能である。従
来は、含水性ポリマー膜４がなかったために、溶液中以
外では、回路が切断されてしまったが、本実施例の電極
構造によれば、REFET1と疑似参照電極２間および疑似参
照電極２とENFET3間の回路が溶液外でも切れることがな
く、導通している回路のベースラインが移動したり、も
とのベースラインへ安定するまで時間がかかるという問
題が起らない。
第２図は、第１図に示したセンサを作製する方法を工
程順に示した断面図である。第２図（ａ）は、２個のFE
Tと疑似参照電極が形成された基板のゲート部における
縦断面図である。図中、１はREFET、２は疑似参照電
極、３はENFET、14は酸化シリコン、15は窒化シリコ
ン、16はサファイヤ基板、８、11はソース、９、12はゲ
ート、10、13はドレインである。
程順に示した断面図である。第２図（ａ）は、２個のFE
Tと疑似参照電極が形成された基板のゲート部における
縦断面図である。図中、１はREFET、２は疑似参照電
極、３はENFET、14は酸化シリコン、15は窒化シリコ
ン、16はサファイヤ基板、８、11はソース、９、12はゲ
ート、10、13はドレインである。
次に第２図（ｂ）に示すように、各電極上の全面にわ
たって、含水性ポリマー４を塗布した後、第２図（ｃ）
に示すように含水性ポリマー膜４上にフォトレジスト６
を塗布し、ENFET3のゲート上に開口部を形成する。次に
第２図（ｄ）に示すように酵素固定化膜５を塗布し、ア
セトン中で超音波洗浄してフォトレジスト６を除去する
ことにより、第２図（ｅ）に示すようなセンサが得られ
る。
たって、含水性ポリマー４を塗布した後、第２図（ｃ）
に示すように含水性ポリマー膜４上にフォトレジスト６
を塗布し、ENFET3のゲート上に開口部を形成する。次に
第２図（ｄ）に示すように酵素固定化膜５を塗布し、ア
セトン中で超音波洗浄してフォトレジスト６を除去する
ことにより、第２図（ｅ）に示すようなセンサが得られ
る。
上記の通り、極めて簡単な作製工程により本発明の電
極構造は得られる。
極構造は得られる。
第３図は、本発明と従来の電極構造によって溶液を交
換した際のベースラインの変化を比較したものである。
第３図（ａ）は、従来の電極構造で溶液を交換した際の
ベースラインの変化を示した図である。溶液を交換する
ためにセンサを溶液から出した瞬間（図中、Ａで示す）
にベースラインが不安定になっている。次に新しい溶液
に入れても、元のベースラインに安定するまで１分以上
の時間が必要である。一方、第３図（ｂ）は、本発明に
よる電極構造によって、第３図（ａ）におけるのと同様
な溶液交換を行った結果である。この場合にはセンサを
溶液から出した瞬間（図中、Ｂで示す）に若干のスパイ
ク状の変化が現われるものの、ベースラインの変化はほ
とんど起らない。従って、次の測定を行う際も、ベース
ラインが安定するまで待つ必要がなく、測定をすぐに開
始することができる。
換した際のベースラインの変化を比較したものである。
第３図（ａ）は、従来の電極構造で溶液を交換した際の
ベースラインの変化を示した図である。溶液を交換する
ためにセンサを溶液から出した瞬間（図中、Ａで示す）
にベースラインが不安定になっている。次に新しい溶液
に入れても、元のベースラインに安定するまで１分以上
の時間が必要である。一方、第３図（ｂ）は、本発明に
よる電極構造によって、第３図（ａ）におけるのと同様
な溶液交換を行った結果である。この場合にはセンサを
溶液から出した瞬間（図中、Ｂで示す）に若干のスパイ
ク状の変化が現われるものの、ベースラインの変化はほ
とんど起らない。従って、次の測定を行う際も、ベース
ラインが安定するまで待つ必要がなく、測定をすぐに開
始することができる。
［発明の効果］ 以上説明したように、従来の電極構造では、測定溶液
の交換の際、参照電極によるアースが一旦切れるため、
ベースラインが変化したり、安定するまで時間を要して
いたのに対し、本発明による電極構造は、上記の回路切
断が含水性ポリマーによって防止されているため、ベー
スラインが変化したり、安定するまで時間を要する等の
欠点がなく、安定な電気化学センサが得られる。なお本
発明による効果は、アンペロメトリック型電気化学セン
サについて同様である。
の交換の際、参照電極によるアースが一旦切れるため、
ベースラインが変化したり、安定するまで時間を要して
いたのに対し、本発明による電極構造は、上記の回路切
断が含水性ポリマーによって防止されているため、ベー
スラインが変化したり、安定するまで時間を要する等の
欠点がなく、安定な電気化学センサが得られる。なお本
発明による効果は、アンペロメトリック型電気化学セン
サについて同様である。
第１図は本発明の一実施例の電極構造を示す概略平面
図、第２図は本発明のセンサを作製する方法を工程順に
示した断面図、第３図は本発明と従来の電極構造による
溶液交換の際の影響を比較した図である。 １……参照用イオン感受性電界効果トランジスタ（REFE
T） ２……疑似参照電極 ３……酵素用イオン感受性電界効果トランジスタ（ENFE
T） ４……含水性ポリマー膜、５……酵素固定化膜 ６……フォトレジスト、８……ソース、９……ゲート、
10……ドレイン、11……ソース、12……ゲート、13……
ドレイン、14……酸化シリコン、15……窒化シリコン、
16……サファイヤ基板
図、第２図は本発明のセンサを作製する方法を工程順に
示した断面図、第３図は本発明と従来の電極構造による
溶液交換の際の影響を比較した図である。 １……参照用イオン感受性電界効果トランジスタ（REFE
T） ２……疑似参照電極 ３……酵素用イオン感受性電界効果トランジスタ（ENFE
T） ４……含水性ポリマー膜、５……酵素固定化膜 ６……フォトレジスト、８……ソース、９……ゲート、
10……ドレイン、11……ソース、12……ゲート、13……
ドレイン、14……酸化シリコン、15……窒化シリコン、
16……サファイヤ基板
Claims (3)
- 【請求項１】センサの電極部および参照電極が互いに連
続した含水性ポリマーで覆われ、前記参照電極が疑似参
照電極と差動用参照電極からなり、かつ前記含水性ポリ
マー上には前記センサの電極部上部に位置する領域に固
定化酵素膜が形成されてなることを特徴とする電気化学
センサ。 - 【請求項２】酵素用イオン感受性電界効果トランジスタ
と参照用イオン感受性電界効果トランジスタおよび疑似
参照電極を有し、前記酵素用イオン感受性電界効果トラ
ンジスタの電極と前記参照用イオン感受性電界効果トラ
ンジスタの電極と前記疑似参照電極が互いに連続した含
水性ポリマーで覆われ、かつ前記含水性ポリマー上には
前記酵素用イオン感受性電界効果トランジスタ電極部上
部に位置する領域に固定化酵素膜が形成されてなること
を特徴とする電気化学センサ。 - 【請求項３】酵素用イオン感受性電界効果トランジスタ
と参照用イオン感受性電界効果トランジスタおよび疑似
参照電極が形成された基板上の電極部全面に含水性ポリ
マーを塗布する工程と、フォトレジストを塗布し少なく
とも前記酵素用イオン感受性電界効果トランジスタのゲ
ート部の上部に位置する領域に開口部を形成する工程
と、前記開口部の前記含水性ポリマー上に固定化酵素膜
を塗布する工程と、前記フォトレジストを除去する工程
を有することを特徴とする電気化学センサの製造方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63027476A JP2633281B2 (ja) | 1988-02-10 | 1988-02-10 | 電気化学センサ及びその製造方法 |
| US07/308,597 US4909921A (en) | 1988-02-10 | 1989-02-09 | Electrochemical sensor facilitating repeated measurement |
| DE89102247T DE68909436T2 (de) | 1988-02-10 | 1989-02-09 | Elektrochemischer Detektor zur Erleichterung wiederholter Messungen. |
| EP89102247A EP0328108B1 (en) | 1988-02-10 | 1989-02-09 | Electrochemical sensor facilitating repeated measurement |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63027476A JP2633281B2 (ja) | 1988-02-10 | 1988-02-10 | 電気化学センサ及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01203960A JPH01203960A (ja) | 1989-08-16 |
| JP2633281B2 true JP2633281B2 (ja) | 1997-07-23 |
Family
ID=12222169
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63027476A Expired - Lifetime JP2633281B2 (ja) | 1988-02-10 | 1988-02-10 | 電気化学センサ及びその製造方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4909921A (ja) |
| EP (1) | EP0328108B1 (ja) |
| JP (1) | JP2633281B2 (ja) |
| DE (1) | DE68909436T2 (ja) |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5111221A (en) * | 1988-05-13 | 1992-05-05 | United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Receptor-based sensor |
| US5225374A (en) * | 1988-05-13 | 1993-07-06 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method of fabricating a receptor-based sensor |
| US5250168A (en) * | 1990-07-03 | 1993-10-05 | Hitachi, Ltd. | Integrated ion sensor |
| US5384031A (en) * | 1992-04-29 | 1995-01-24 | Diametrics Medical, Inc. | Reference electrode |
| JP2541081B2 (ja) * | 1992-08-28 | 1996-10-09 | 日本電気株式会社 | バイオセンサ及びバイオセンサの製造・使用方法 |
| JPH0816669B2 (ja) * | 1993-02-18 | 1996-02-21 | 日本電気株式会社 | グルコースセンサの製造方法 |
| US6329139B1 (en) | 1995-04-25 | 2001-12-11 | Discovery Partners International | Automated sorting system for matrices with memory |
| US7220550B2 (en) * | 1997-05-14 | 2007-05-22 | Keensense, Inc. | Molecular wire injection sensors |
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