JP4735833B2 - バイオチップ及びバイオセンサ - Google Patents

Description

本発明は、バイオチップ、バイオセンサ、及び検出システムに関し、特に、軽薄短小、高性能、かつ低コストのマイクロデバイスを実現可能な、バイオチップ、バイオセンサ、及び検出システムに関する。

疾患の診断や、薬物代謝に関する個人差の検出、食品や環境モニタ等の目的で、ＤＮＡ、たんぱく質等の生体関連物質の検査をするための種々の方法が開発されている。

例えば、ピン電極を有する遺伝子の検出用チップ（特許文献１を参照）や、電気信号検出可能なたんぱく質解析チップ（特許文献２を参照）が提案されている。
また、所定のセンサ部の表面にノズルから噴出させた所定の酵素を含む高分子溶液を付着させることにより酵素膜を形成・固定化して、酵素固定化膜を設けるバイオセンサの製造方法が提案されている（特許文献３を参照）。
また、インクジェットノズルより薄膜材料溶液をマイクロドットで微小電極表面上に印刷して高密度微小電極を形成するセンサーデバイスの製造方法が提案されている（特許文献４を参照）。

特開２００１−２４２１３５号公報 特開２００４−２０２３８号公報 特開昭６１−２４５０５１号公報 特開２０００−３３７１２号公報

しかしながら、上記のように解析チップやバイオセンサは各種提案されているが、高性能な検出・検査を実現することができ、軽薄短小、かつ低コストのマイクロデバイスは提供されていなかった。

そこで、本発明は、軽薄短小、高性能、かつ低コストのバイオセンシングデバイスを実現可能な、バイオチップ、バイオセンサ、及び検出システムを提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意検討の結果、所定のバイオチップ及び／又は所定のバイオセンサを採用することにより、軽薄短小、高性能、かつ低コストのバイオセンシングデバイスが実現可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、（１）インクジェットヘッド部を備えたバイオセンサに着脱可能なバイオチップであって、作用電極、参照電極、及び対向電極からなる検出電極と、薄膜トランジスタと、を備えた、バイオチップ；（２）試料溶液を収容する凹部を形成するウェルと、該凹部内に備えられた前記検出電極と、をさらに備えた、前記（１）記載のバイオチップ；（３）インクジェットヘッド部を備えたバイオセンサに着脱可能なバイオチップであって、該バイオチップは円形状をなし、作用電極、参照電極、及び対向電極からなる検出電極が円周に沿って複数配置された、バイオチップ；（４）バイオチップを着脱可能に収容する収容部と、インクジェット方式により試料溶液を吐出するインクジェットヘッド部と、該ノズルからの液滴の吐出を制御するコントローラと、バイオチップの解析データを蓄積するメモリと、駆動用バッテリと、を少なくとも備えたバイオセンサであって、前記インクジェットヘッド部は、試料溶液が供給されるキャビティと、該キャビティへ試料溶液を供給する供給部と、該キャビティに連通しかつバイオチップの各検出電極に対応して配置された複数のノズルと、からなり、かつ、前記インクジェットヘッド部はバイオセンサ本体から着脱可能である、バイオセンサ；（５）ＲＦタグ用回路基板をさらに備えた、前記（４）記載のバイオセンサ；（６）前記（１）〜（３）の何れか１項に記載のバイオチップと、前記（４）又は（５）記載のバイオセンサとからなる、検査システム；を提供する。

本発明によれば、軽薄短小、高性能、かつ低コストのバイオチップ、バイオセンサ、及び検査システムを提供することができる。

次に、本発明の実施の形態について説明する。以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな形態で実施することができる。

（バイオチップ）
本発明のバイオチップは、インクジェットヘッド部を備えたバイオセンサに着脱可能なバイオチップであって、作用電極、参照電極、及び対向電極からなる検出電極と、薄膜トランジスタと、を備えたものである。

（第１の実施形態に係るバイオチップ）
図１は、第１の実施形態に係るバイオチップとバイオセンサとの関係を示す図である。
図１に示すように、バイオチップ１０はバイオセンサ２０に着脱可能であり、プラスチック基板１５と、この上に形成された複数の検出電極１２と、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）７５と、を備えている。

図２に、バイオチップ１０の一部断面図を示す。図２に示すように、バイオチップ１０は、プラスチック基板１５と、その上に積層されたアンダーコート層１６と、その上に設けられたソース領域／ドレイン領域１７、絶縁膜１８、ゲート電極１９、ゲート絶縁膜５２、配線層５３、及び絶縁層５４からなる薄膜トランジスタ７５と、を備える。さらに、バイオチップ１０は、試料溶液を収容する凹部を形成する複数のウェル６２と、各凹部内に備えられた複数の検出電極１２とを備えている。
検出電極１２は、作用電極（例えば、金）と参照電極（例えば、Ａｇ／ＡｇＣｌ）と対抗電極（例えば、カーボン）の３本の配線（図示せず）と、この配線を取り出す電極パッド６１と、を備える。３本の配線は、配線層５３内に設けられ、バイオチップ１０上に実装された薄膜トランジスタ７５に連通している。

電極パッド６１の表面には、生体に特異的な反応が効率良く起こるように、生化学反応場が構築されている。各電極パッド６１の表面には、それぞれ異なる種類の生化学反応性分子が固定され、異なる生化学反応をパラレルにモニターできるように構成してもよい。

上記構成により、軽薄短小、高性能、かつ低コストのバイオセンシングデバイスを実現することができる。
また、本発明のバイオチップは、バイオセンサに着脱可能であり低コストであるので、使い捨てや再利用に供することができる。

（バイオセンサ）
本発明のバイオセンサは、バイオチップを着脱可能に収容する収容部と、インクジェット方式により試料溶液を吐出するインクジェットヘッド部と、該ノズルからの液滴の吐出を制御するコントローラと、バイオチップの解析データを蓄積するメモリと、駆動用バッテリと、を少なくとも備えたバイオセンサであって、前記インクジェットヘッド部は、試料溶液が供給されるキャビティと、該キャビティへ試料溶液を供給する供給部と、該キャビティに連通しかつバイオチップの各検出電極に対応して配置された複数のノズルと、からなり、かつ、前記インクジェットヘッド部はバイオセンサ本体から着脱可能である、ものである。

（第１の実施形態に係るバイオセンサ）
図１に示すように、バイオセンサ２０は、バイオチップ１０を着脱可能に収容する収容部８１を有するバイオセンサ本体８３と、本体８３から着脱可能であるインクジェットヘッド部８２と、本体８３内に設けられインクジェットヘッド部８２からの液滴の吐出を制御するコントローラ（図示せず）と、バイオチップの解析データを蓄積するメモリ（図示せず）と、駆動用バッテリ２２と、ＲＦタグ用回路基板２１と、試料溶液の供給部８６と、を備える。
駆動用バッテリ２２は、太陽電池や水素駆動電池であってもよい。メモリは、例えばフラッシュメモリである。

図３は、インクジェットヘッド部８２の概略断面図である。インクジェットヘッド部８２は、ＳＥＡＪｅｔ（登録商標）と呼ばれるヘッド構造であり、電極間に電圧を印加することにより静電駆動方式により試料溶液をオンデマンドで吐出することができるものである。
図３に示すように、インクジェットヘッド部８２は、試料溶液が供給されるキャビティ８５と、キャビティ８５へ試料溶液を供給する供給部８６と、１２８個のノズル８７と、ガラス基板９１と、キャビティ８５及び振動板９７を備えたシリコンキャビティ基板９２と、ノズル８７を備えたシリコンノズル基板９３と、から構成される。各基板９１、９２、９３は、異方性ディープエッチング、集中パターニングエッチングといったＭＥＭＳプロセスを応用して接合して作製される。

シリコンキャビティ基板９２の下部には振動板９７が設けられており、ガラス基板９１の表面には振動板９７に対向している部分に一定深さの凹部が形成され、該凹部底面に個別電極９４（インジウムスズ酸化物）が形成されている。個別電極９４と対応する振動板９７とは一定の間隔で対向している。
１２８固のノズル８７は、バイオチップ１０の各検出電極１２に対応して配置され、かつキャビティ８５に連通している。キャビティ８５は振動板９７を備えた圧力室であり、ヘッド幅方向（図３の紙面に直交する方向）に向けて相互に隔壁（図示せず）を介して複数配列されている。
複数の各キャビティ８５は、それぞれ通路９５を介して、共通インク室９６に連通している。共通インク室９６には、試料溶液の供給部８６が連通している。

試料溶液としては、酵素、抗体、機能たんぱく質等の生体関連物質が、緩衝液やエチレングリコール等で溶液化されたもの、血液等の体液、あるいは、バイオチップ１０の電極パッド６１上に固定された生体分子と相互作用する誘導体物質等、が好適に挙げられる。

マイクロシリンジ等により試料溶液を供給部８６へ供給し、シリコンキャビティ基板９２の後端部分に形成した共通電極９８と、各個別電極９４との間に、駆動制御回路８４により駆動電圧を印加すると、これらの間に発生する静電気力によって振動板９７が個別電極９４の側に変位し、駆動電圧を遮断すると振動板９７が弾性により変位前の位置に戻ることから各キャビティ８５に圧力変動が発生し、これにより、試料溶液を供給部８６から共通インク室９６、通路９５、キャビティ８５、ノズル８７へと移動させ、ノズル８７から吐出させる。ノズル８７から吐出されたマイクロ滴は、バイオチップ１０の各電極パッド６１上に吐出される。

上記構成により、軽薄短小、高性能、かつ低コストのバイオセンシングデバイスを実現することができる。
また、本発明のバイオセンサにおいては、インクジェットヘッド部８２がバイオセンサ本体８３に着脱可能であるので、使い捨てや再利用に供することができる。
また、バイオセンサ本体８３がメモリを備えているので、バイオチップ１０上で検出された電流信号をトランジスタ増幅回路を通して、アナログ−デジタル変換され、解析データとして蓄積することができる。さらに、ＲＦタグ用回路基板２１を備えているので、メモリに蓄積された解析データを逐次、ホストコンピュータにワイヤレス送信することができる。

（バイオチップの製造）
図４に、バイオチップ１０の製造工程の一例を示す。本製造例では、転写プロセスを用いて、プラスチック基板上に低温多結晶Ｓｉ ＴＦＴを形成するＳＵＦＴＬＡ技術（登録商標）（Surface Free Technology by Laser Ablation / Annealing）を用いる。

まず、図４（ａ）に示すように、ガラス基板７１上に、薄膜トランジスタ層７２を形成する。具体的には、石英板上に、アモルファスＳｉの犠牲層、ＳｉＯ₂アンダーコート層１６、薄膜トランジスタ層７２を順次形成した後、薄膜トランジスタ層７２の上に、水溶性粘着剤を塗布し、ガラス基板７１を形成する。その後、石英板の下面からＸｅＣｌエキシマ・レーザを照射して、石英板及び犠牲層をアンダーコート層１６から剥離させる。

次に、図４（ｂ）に示すように、薄膜トランジスタ層７２上に、アンダーコート層（図示せず）を介してプラスチック基板７３を形成する。具体的には、ＰＥＳ（poly ether sulfone）からなるプラスチック基板７３上に非水溶性の粘着剤を塗布し、これに上記アンダーコート層１６を接着する。

次に、図４（ｃ）に示すように、洗浄して上記水溶性粘着剤を溶かして、薄膜トランジスタ層７２からガラス基板７１を剥離する。

一方、図４（ｄ）及び（ｅ）に示すように、スクリーン印刷によってプラスチック基板１５上に電極パッド及び配線からなる検出電極１２を形成する。スクリーン印刷においては、３電極の異なる材料パターンをもとに３種の印刷マスクを作成し、印刷する。

次に、図４（ｆ）に示すように、ＡＣＰ（anisotropic conductive paste）からなる接着用ペーストを介して、薄膜トランジスタ層７２の剥離面をプラスチック基板１５上に仮接合によりアライメントする。さらに、図４（ｇ）に示すように、仮接合体を圧着して、検出電極及び薄膜トランジスタを備えるバイオチップ１０を得る。

（第２の実施形態に係るバイオチップ）
図５は、第２の実施形態に係るバイオチップとバイオセンサとの関係を示す図である。 図５に示すように、本実施形態においては、バイオチップ１１０が円形状をなし、薄膜トランジスタ１１４が中央部に配置され、かつ検出電極１１２が円周に沿って複数配置された点のみが、第１の実施形態に係るバイオチップとは異なっている。
図５に示すように、検出電極１１２は、バイオチップ１１０の円周に沿って複数配置された電極パッド１６１と、作用電極、参照電極、及び対向電極の３本の配線６２とからなる。

本実施形態においては、バイオチップ１１０を円形状とし、中央部に薄膜トランジスタ１１４を配置し、検出電極１１２を円周に沿って複数配置するため、各電極パッド１６１から３本の配線１６２が出るような引き出し配線が多い場合であっても、検出電極１１２を基板上に効率的・高集積に実装することができる。

（第２の実施形態に係るバイオセンサ）
図５に示すように、本実施形態においては、バイオセンサ１２０は、円形状のバイオチップ１１０を着脱可能に収容する収容部８１を有し、さらに、バイオチップ１１０をディスク回転させる回転機構（図示せず）と、ディスク回転と試料溶液のノズルからの吐出とを時間同期制御するコントローラ（図示せず）とを備えた点のみが、第１の実施形態に係るバイオセンサとは異なっている。
バイオチップ１１０を収容部８１に装着させた後、試料溶液を供給部８６へ供給し、駆動電圧を印加すると、共通電極と各個別電極との間に発生する静電気力によってキャビティに圧力変動が発生し、ノズルから試料溶液が短時間に円周に沿って配置された電極パッド１６１へ供給される。試料溶液の供給時においては、円形ディスク状のバイオチップ１１０を回転させて各電極パッド１６１に正確に液滴が吐出されるよう、ディスク回転と液滴吐出とが時間同期制御される。
本実施形態に係るバイオセンサにおいては、円形ディスク状のバイオチップ１１０がバイオセンサ本体８３内で回転するので、ノズルは１個であってもよく、あるいは、複数であってもよい。
各電極パッド１６１の直径は、１０μｍ〜３ｍｍであることが好ましい。

上記構成により、軽薄短小、高性能、かつ低コストのマイクロデバイスを実現することができる。
また、本発明のバイオセンサにおいては、インクジェットヘッド部１８２がバイオセンサ本体８３に着脱可能であるので、使い捨てや再利用に供することができる。
また、試料溶液の供給時においてバイオチップ１１０のディスク回転と吐出とが時間同期制御されるので、効率良く試料溶液を供給・検出することができる。

（第３の実施形態に係るバイオチップ）
図６は、第３の実施形態に係るバイオチップを示す図である。
図６に示すように、本実施形態においては、バイオチップ２１０が薄膜トランジスタを実装しておらず、作用電極、参照電極、及び対向電極の３本の配線２６２が電極パッド２６１から円周外側方向へ向けて取り出された検出電極２１２とした点のみが、上記第２の実施形態に係るバイオチップとは異なっている。
バイオセンサとして、バイオチップ２１０の外形にフィットする形状で設計されたコネクタ部を有し、かつトランジスタ回路を有するものを用いれば、バイオチップ２１０をコネクタ部にはめ込むことにより、コネクタ部からバイオチップ本体のトランジスタ回路に直結して、解析が可能となる。

本実施形態においては、バイオチップ２１０を円形状とし、検出電極２１２を円周に沿って複数配置するため、各電極パッド２６１から３本の配線２６２が出るような引き出し配線が多い場合であっても、検出電極２１２を基板上に効率的・高集積に実装することができる。
また、実施形態２の場合と同様、バイオチップ２１０への試料溶液の供給時においてバイオチップ２１０のディスク回転と吐出とが時間同期制御されるので、効率良く試料溶液を供給・検出することができる。

（検査システム）
本発明の検査システムは、上記記載のバイオチップと上記記載のバイオセンサとからなるものである。
上記構成により、本発明の検査システムによれば、軽薄短小、高性能、かつ低コストのバイオセンシングデバイスを実現することができる。

なお、上記第１〜３の実施形態においては、上記特定構造のバイオチップと上記特定構造のバイオセンサを組み合わせて用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、上記特定構造のバイオチップのみ、上記特定構造のバイオセンサのみ、又はこれと他の構成のバイオセンサやバイオチップとを組み合わせた検査システムも本発明に含まれる。

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。当業者は、以下に示す実施例のみならず様々な変更を加えて実施することが可能であり、かかる変更も本特許請求の範囲に包含される。

まず、第１の実施形態のバイオチップ１０の複数の電極パッド６１を金電極で構成し、その金電極の表面を、ＰＥＧ鎖をもつチオールＳＡＭ（自己組織化単分子膜）によって被覆した。
次に、グルコースデヒドロゲナーゼ酵素分子（ＧＤＨ）１０ユニット、メディエータとしてフェロセンカルボン酸２ｍＭ、ＫＣｌ０．１Ｍ、ＰＢＳバッファ１０ｍＭを含む５０μｌのサンプル溶液を、ＳＡＭで被覆された４つの金電極上にそれぞれ載せて、さらにグルコース溶液を一定量（１ｍＭ、５ｍＭ、１０ｍＭ、１５ｍＭ、２０ｍＭ）それぞれ添加した。

次に、ＧＤＨ１０ユニットに代えてグルコースオキシダーゼ（ＧＯｘ）１０ユニットを含めた以外は上記同組成のサンプル溶液を、ＳＡＭで被覆された異なる４つの金電極上にそれぞれ載せて、さらにグルコース溶液を５ｍＭそれぞれ添加した。

次に、酸化反応によって発生する電子による反応電流を検出した。測定は各電極独立で同時に処理され、短時間に複数酵素反応の結果がデータとして得られた。各電極にて印加電圧を例えば−０．３Ｖから０．５Ｖまで５０ｍＶ／秒の速度にて掃引させてＣＶ曲線を作成し、そのピーク電流値により各電極の反応を評価した。評価は４つの電極から検出される測定値の平均をとった。
例えば、ＧＤＨサンプル溶液にグルコース溶液を１ｍＭ添加した場合、電極面積に対する電流密度の４つの電極における平均値は２．１×１０²μＡ／ｃｍ²であった。

これらの測定結果を図７に示す。図７に示すように、電圧値の上昇に伴って電流値が増加することが判った。

なお、測定方法は上記に限定されず、パルスボルタノメトリー法によって時間による反応電流（印加電圧は一定、例えば０．５Ｖとした場合）の変化を計測し、その速度論解析を行ってもよい。
また、各電極に例えば上記組成に０．５重量％の変性ＢＳＡ及びグルタルアルデヒド２重量％を酵素分子と混合させ電極表面に固定化させてもよい。その際、電極表面には末端がアミノ基で修飾されたＳＡＭで被覆される。

第１の実施形態に係るバイオチップとバイオセンサとの関係を示す図である。 第１の実施形態に係るバイオチップの一部断面図である。 第１の実施形態に係るバイオセンサのインクジェットヘッド部の概略断面図である。 バイオチップの製造工程の一例を示す図である。 第２の実施形態に係るバイオチップとバイオセンサとの関係を示す図である。 第３の実施形態に係るバイオチップを示す図である。 実施例に係り、電圧と電流値の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０，１１０，２１０ バイオチップ、２０，１２０ バイオセンサ、１２，１１２，２１２ 検出電極、７５，１１４ 薄膜トランジスタ、７２ 薄膜トランジスタ層、１５，７３ プラスチック基板、１６ アンダーコート層、１７ ソース領域／ドレイン領域、１８ 絶縁膜、１９ ゲート電極、５２ ゲート絶縁膜、５３ 配線層、５４ 絶縁層、６２ ウェル、６２，１６２，２６２ 配線、６１，１６１，２６１ 電極パッド、８１ 収容部、８３ バイオセンサ本体、８２ インクジェットヘッド部、９１，７１ ガラス基板、８５ キャビティ、９７ 振動板、９２ シリコンキャビティ基板、８７ ノズル、９３ シリコンノズル基板、９４ 個別電極、９５ 通路、９６ 共通インク室、８６ 供給部、９８ 共通電極

Claims (4)

1. バイオセンサに着脱可能なバイオチップであって、
   作用電極、参照電極、及び対向電極を含む検出電極を備え、
   前記バイオチップは円形状であり、
   前記検出電極は、前記バイオチップの外周に沿って複数配置され、前記バイオチップの中央部に配置された薄膜トランジスタに電気的に接続され、前記薄膜トランジスタは、前記検出電極に流れる電流を検出することを特徴とするバイオチップ。
2. 試料溶液を収容する凹部を形成するウェルを備え、前記検出電極は、前記凹部内に備えられたことを特徴とする請求項１に記載のバイオチップ。
3. 請求項１に記載のバイオチップを着脱可能に収容する収容部と、
   インクジェット方式により試料溶液を吐出するインクジェットヘッド部と、
   ノズルからの液滴の吐出を制御するコントローラと、
   バイオチップの解析データを蓄積するメモリと、
   駆動用バッテリと、
   前記バイオチップをディスク回転させる回転機構と、
   前記バイオチップのディスク回転と前記試料溶液の前記ノズルからの吐出とを時間同期制御するコントローラとを少なくとも備えたバイオセンサであって、
   前記インクジェットヘッド部は、試料溶液が供給されるキャビティと、該キャビティへ試料溶液を供給する供給部と、該キャビティに連通しかつバイオチップの各検出電極に対応して配置された複数のノズルと、からなり、かつ、前記インクジェットヘッド部はバイオセンサ本体から着脱可能である、バイオセンサ。
4. ＲＦタグ用回路基板をさらに備えた、請求項３に記載のバイオセンサ。

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