JPH03502135A - 化学感応性変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 化学感応性変換器 技術分野 本発明は、流体の１つの化学的性質を選択定量する化学感応性変換器であって、 この化学的性質に感応する隔膜で覆われた付属の測定電極にそのゲートが接続し である少なくとも１個の電界効果トランジスタと、隔膜を除き変換器全体を流体 から隔離するカプセルとを備えたものに関する。

「化学感応性」とは、イオン又は気体感応性、酵素基質、抗体／抗原又は水素化 可能なりＮＡ／ＲＮＡ群に対する感度のことである。その感度に応じてかかる変 換器は医学において例えば血液の分析に、臨床化学において治療制御、ホルモン 定量、感染診断、腫瘍診断に、更に発酵制御、食品分析、環境分析において、そ してプロセス制御にも利用することができる。

先行技術 請求の範囲１の序文に記載した特徴を有する化学感応性変換器がＥＰ−Ｂ−００ ６５３５０により知られている。そこでは半導体基板内に電界効果トランジスタ が形成してあり、そのゲートは横に続いた導体を介し同じ基板面に配置された測 定電極と接続しである。測定電極には測定すべき化学的性質に感応する隔膜又は 被膜が電界めっき、スパッタリング又は真空蒸着により被着して設けである。電 界効果トランジスタはエポキシ樹脂又はシリコーンゴムからなる保護膜によって 被検流体から隔絶しである。

このように構成した変換器の感応性隔膜を被検流体に浸漬すると隔膜の電気的活 性物質と流体との間のイオン交換反応により電界効果トランジスタのゲート電極 に電位が発生し、これがそのチャネルコンダクタンスに影響する。電位差式又は 電流式測定により、被測定パラメータの濃度に比例した適宜な出力信号を得るこ とができる。

別の化学感応性変換器が、ＥＰ−Ａ−０３０２２２８、ＥＰ−Ｂ−００７８５９ ０又はＵＳ−ＰＳ４　５１４　２７６により知られている。

前記イオン交換反応により惹き起こされた電圧はｍＶ範囲のものではあるか隔膜 の抵抗性負荷容量はｐＡ乃至ｆＡ範囲にある。このように少ない電荷量で動作す る場合肝要なのは外乱を全て、特に電気的又は熱的外乱を遠ざけることであり、 この点についての措置を前記刊行物は何ら記載していない。周知変換器の別の難 点としてそれらは前記方法により測定電極に被着することのできる隔膜が感応す る化学的性質の検出にのみ利用することができる。

発明の説明 本発明の課題は、周知の化学感応性変換器に比べ感度か高く又同時に電気的影響 にも温度変化にも強い化学感応性変換器を提供することであり、その際これは安 定性の劣る隔膜物質でのみ検出できるような性質に対しても感応するよう構成で きなければならない。

この課題の本発明による解決法が請求の範囲１に明示しである。

本発明によれば片面に測定電極、反対面に電界効果トランジスタを含む増幅回路 を配置した支持板が設けてあり、更に測定電極は支持板に挿通した導体を介し電 界効果トランジスタのゲートと電気的に接続しである。

支持板に貫通接続を設け、支持板の反対面に測定電極と増幅回路を配置すると変 換器全体の寸法が小さくなり、又測定電極面の寸法及び数の点で自由に設計可能 となり各測定電極と付属の増幅回路との間の距離がごく短くなりＳＮ比が適宜に 高くなる。従って本発明による変換器は従来の変換器より感度が高い。更に、本 発明により構成することで測定電極（単・複）の構成を殆ど自由に選択すること かでき、従って各種測定問題への適合が可能となる。特に、従来のイオン感応性 電極において使用されている全ての隔膜種を隔膜として使用することができる。

更に、増幅回路もさまざまな技術で構成することができ、例えば個数が少ない場 合でも混成技術又は薄膜技術での変換器の構成を安価に実現することかできる。

本発明の諸構成は従属請求の範囲に明示しである。

請求の範囲２によれば支持板か絶縁材料からなり、これは特にＳｉＯ２，Ａ１□ ０３等の磁器材料、ガラス、エポキシ樹脂又は合成樹脂材料とすることができる （請求の範囲３）。従って支持板は僅かな４さて所要の安定性を付与するだけで なく増幅回路（単・複）を環境の影響から確実に遮蔽する。Ａｔ２０．磁器等の 磁器材料は例えば測定電極材料、導体膜材料及びその他の条導体材料を厚膜技術 で被着するのに適している。

請求の範囲４では、増幅回路と支持板との間に導体膜が測定電極に向き合わせて 配置してあり、これに測定電極と同じ電位を印加することができる。この措置で 高インピーダンス入力信号が妨害電界から積極的に遮蔽され、これにより、ＳＮ 比が一層低下し、変換器の感度限界が低下し又はその応答速度が高まり、変換器 が複数のチャネルを有する場合漏話挙動が向上する。

請求の範囲４の配置は更に入力容量が事実上完全に除去されることを特徴する 請求の範囲５によれば測定電極と電界効果トランジスタとを電気的に接続するた め支持板に直径０．１＋ｍ未満の穴か穿設し、て゛あり、少なくとも穴の壁が導 電材料で被覆しである。本発明のこの改良の利点として、穴の断面か小さいので 静止液体又は僅かに動く液体はその界面張力により、穴の外面を露出させる場合 でも増幅回路に達することができない。

請求の範囲６によれば測定電極、支持板に挿通した導体及び場合によっては導体 膜が流体に対（７化学的に不活性な材料からなり、従って流体と反応することが なく又特に隔膜を被着するのに事実上任意の補助物質（溶剤、還元剤、酸化剤、 カップリング及び重合用ラジカル）を使用することができる。こうした材料には 例えば金、白金、銀、パラジウム又はそれらの合金、又は例えばポリピロール等 の導電性高分子がある。

請求の範囲８には、支持板に被着したマスク板で測定電極の面を制限しておくこ とができることが明示しである。本発明のこの改良は利点として隔膜を測定電極 に被着するため特定の底面を有する槽状受容部が形成され、隔膜が適宜な広がり を持ち又その厚さは液体を単純に計量することで確定することができる。こうし て、適用者自身が十分な精度で隔膜を被着する可能性も得られるが、このことは 敏感で安定性の劣る酵素。

抗体等の生物学的物質を用いる場合必要となる。更に、使用済み隔膜を取り除き 、新しい隔膜を被着して変換器を再利用することも可能となる。適用者自身が被 着することのできる隔膜が請求の範囲１３に明示してあり、これによれば、隔膜 は（電気）化学反応により又は溶解した形で被着することができる。更に請求の 範囲１２によればマスク板を取外し可能又は交換可能に配置することも可能とな る。

それと共に、隔膜を変換器に被着するためにのみマスク板を配置し、又は各種構 成のマスク板を被着することで隔膜面を変更することが可能である。

マスク板で穴を覆う請求の範囲９の措置はカプセル内に設けた増幅回路を一層保 護する上で望ましい。

請求の範囲１０によりマスク板と支持板との間に設けた穴を覆う絶縁体膜も貫通 接続を一層密封するのに役立つ。この絶縁体膜は請求の範囲１１によれば、主に ５ｉ０２、ポリイミド、エポキシ樹脂、アルミナ又はシリコーン樹脂から構成す ることができる。

請求の範囲１４の構成に設けであるようにマスク板と、増幅回路をカプセル封入 するカバーも支持板の材料から製造しであると、熱膨張率が異なる場合温度変化 によって漏れを生じ得るような機械的応力が避けられる。更に、特に磁器は良好 な電気絶縁体を形成し化学的に不活性であり、つまりそれは被検流体と反応上ず 、生理学的に中性である。

請求の範囲１．５により設けであるように変換器ハウジングに不活性ガスを超加 圧充填することは水蒸気の侵入から増幅回路を保護する措置であり、例えば温度 安定性センサを使って実施可能なオートクレーブ処理のとき電子部品の酸化を防 止する。

変換器か活性測定電極と不活性電極とを備えた差動センサ対を少なくとも１つ有 する請求の範囲１６の構成では外部比較電極が不可避ではなくなる。但し本発明 による変換器ではこれをいつでも使用することができる。センサチャネ、ルはそ れぞ゛れ］、つのセンサ対からなり、その電位は基準溶液接点を基準に決まり且 つ相互に減算される。一方の電極面は希望する隔膜で被覆され、他方は同じ、但 し２「キャリアのない」混合物で被覆される。「キャリアのない」とはこの場合 隔膜又は彼摸か感応成分を持たないことである。この差形成により基準溶液接点 の電位不安定さや、例えば脂肪親和性血液脂質の拡散注入によって惹き起される 隔膜の特有でないマトリックス効果か消える。

図面の簡単な説明 本発明の実施例を以Ｆ図面に基づき詳しく説明する。７第１図は化学感応性変換 器の使用時を示す概要図、第２図は第１図に示す変換器の要部縦断面図、第３図 は第２図に示した支持板の増幅回路担持面の平面図、 第４図、第５図は電位差式又は電流式に信号を収集する電気回路の例、 第６図は本発明による変換器の特性曲線を示す。

好ましい実施例の説明 第１図に示した配置において化学感応性変換器１０が被検流体１１に浸漬され、 外部給電線を介し電圧源１２と表示装置１３とに接続してあり、後者は実線記録 計であってもよい。

変換器１０は、第１図において観察者側の面に２つの差動センサ対１４と１個の 基準溶液接点１５とを備えている。各差動センサ対１４は１個の活性センサ】６ と１個の受動センサ１７を含む。各差動センサ対１４の活性センサと受動センサ は基準溶液接点１５を基準に対称に配置しである。

第２図の要部断面図では活性センサ１６の１個とそれに付属した電子素子か詳細 に示しである。それによるとセ、す１６はＡｌ２Ｏ，磁器からなる支持板１８の 上面に被着した測定電極１９を含み、それに向き合わせて支持板１８の下面には 導体膜２０が被着しである。

導体膜２０に、ＳｉＯ□絶縁膜２１を介設して増幅回路２２が配置してあり、こ れは市販の集積回路でもよく、その例については第４図、第５図を基に後に簡単 に説明する。

増幅回路２２の入力電界効果トランジスタのゲートは素線２３と貫通接続した接 続導体２４とを介し測定電極１９に接続しである。導体２４は支持板１８に穿設 し又はレーザ光により製造した直径０．１■未満の微細孔に通しである。測定電 極１９及び導体膜２０を製造するため支持板１８の該当する面範囲が合圧カベー ストで被覆してあり、このペーストは同時に微細孔にも充填される。圧力ベース トを焼成すると穴の壁に導電性金層が形成される。

第３図は導体膜２０、それに被着した８１０２絶縁膜２１及びその上に被着した 集積増幅回路２２の立体設計を示す。導体膜２０の凹部内で微細孔に通した接続 導体２４が接続タブ２５となって成端し、これにボンディング線２３が固着しで ある。支持板１８の上面に５ｉｎ２膜２６を介設してＡＩ：０３磁器からなるマ スク板２７が被着してあり、これが測定電極１９の範囲にセンサ穴２８を有する 。導体２４を通した微細孔はこのセンサ穴２８の外側にあり、それ故マスク板２ ７で覆われ、付加的に５ｉｎ２膜２６で密封される。

センサ穴２８の範囲で測定電極１９に被覆しである隔膜２９は検出すべき化学的 性質に感応する物質を含んでいる。

第２図かられかるようにマスク板２７に設けであるセンサ穴２８は支持板１８上 に設けた測定電極１９と一緒に、底面の限定された槽状り；：みを形成する。そ れ故隔膜２９は液体の形でごく簡単に被着することができ、予め計量した液体量 から所定の厚さの隔膜が得られる。このように設計しである結果、隔膜２９の被 着は適用者の判断に任せ、短命物質の場合重要なことであるが本来の使用直前に 行うことができる。更にこの被着法はスパッタリング又は真空蒸着等の従来の方 法では被着することのできない敏感な物質にとっても適している。磁器マスク板 ２７を用いると更に使用済み隔膜を取り除いて新しいものに取り替えることがで き、全体として変換器は繰り返し使用することができる。

受動センサ１７は第２図で活性センサ１６について述べた構造と基本的には差異 がない。これも、活性センサ１６の隔膜２９の場合隔膜質量の約１％を構成する 感応性成分に至るまで同一組成の隔膜を有する。

だが第１図に示した基準溶液接点１５が、そこでは測定電極が隔膜なしに露出し ており、又独自の配線が設けていない限りで第２図に示した構造と相異している 。変換器全体の基準電位を伝える基準溶液接点１５は以下なお、説明するように 各増幅回路２２と接続しである。

第２図の構造では測定電極１９及び導体膜２０がその間にある磁器支持板１８と でコンデンサを形成し、これが変換器の入力容量を小さくし、又、高インピーダ ンス入力信号（１０”Ω程度）を標遊電界から遮蔽する。

第２図に更にカバー３０が図示してあり、これは支持板１８の下面に取り付けた 増幅回路２２を支持板１８と一緒にカプセル封入する。カバー３０もＡｌ２Ｏ， 磁器からなる。外部から水蒸気が侵入するのに対抗するためそして温度の影響で 電子部品が酸化するのを防ぐためカプセル空間には不活性ガスが圧縮充填されて いる。カバー３０は第１図に示した変換器１０の裏面全体に延設することができ 、全てのセンサ１６．１７の電子素子を取り囲む。

変換器に２つ（又はそれ以上の）差動センサ対１４を実装できることにより、活 性センサ１６の選択性物質を適切に選択すると流体１１の２つ以上の化学的性質 を同時に定量することができる。

第４図に示す電位差式信号収集回路では活性センサ１６か第１演算増幅器段３１ の入力電界効果トランジスタに、そして受動センサ１７が第２演算増幅器３２の 入力電界効果トランジスタに接続しである。この場合電極電位のインピーダンス 変換のためごく高オームの一次段（Ｒ，、〜１０１５Ω＋Ｉｌｎ〜１５０ｆＡ、 ）が用いられる。増幅器３１．３２の低インピーダンス出力信号が差動増幅器３ ３の２つの入力端に加えられ、後者の出力信号が測定信号となる。基準溶液接点 １５は抵抗器３４を介して差動増幅器３３の受動センサ１７の信号が加えられる 入力端に接続してあり、トリム入力端３５は別の演算増幅器３６及び別の抵抗器 ３７を介し差動増幅器３３の活性センサ１６の出力信号が印加される入力端に接 続しである。基準溶液接点１５は更に変換器のアナログ接地端子３８と接続しで ある。

電位差式動作の場合、導体膜２０が一方の演算増幅器３１又は３２の出力端と接 続され、インピーダンス変換入力信号が遮蔽面に印加される。

第４図にその主要構成要素が図示しである回路は第２図で符号２２とした集積構 成した増幅回路の１例である。

第５図の回路は電流式に信号を収集するよう構成してあり、第４図と同じ符号は 同一の回路素子を意味する。配線の違いは第４図と比較してわかる。

全体として上述の変換器は以下の有利な性質を有する。

（ａ）従来の電極とは異なり上述の変換器は測定系及び隔膜表面を小型化するこ とができ、大きさと形状が大幅に可変である。この変換器は僅かな製造、開発費 を必要とするだけであり、各種の適用事例に合わせて設計することができる。セ ンサの応答時間が短い。複数のセンサを実装することで複数のパラメータを同時 に測定することができる。選択性を異にする隔膜を複数使用すると個々の差動セ ンサ対の交差選択性を後続の電子素子で電子的に除去することが可能となる。信 号収集が変換器内に一体化してあり、出力信号は別に処理する必要もなく表示に 利用することができる。

（ｂ）従来の化学感応性電界効果トランジスタに比べ、前述の変換器はカプセル 封入の故に耐久性の問題が生じない。各種の隔膜物質を容易に被着することがで き、バイオ選択性成分と組合せることで高い可変性が得られる。電極表面が可能 な限り広いので被着する隔膜物質の量をより正確に再現することができる。ＦＥ Ｔマルチセンサの場合に現れる拡散問題が避けられる。

第６図が各種イオンについて本発明センサの特性曲線を示す。この場合一般的発 明思想を制限することなく電極面はＰＶＣ液膜で感応化しである。これには文献 から知られている隔膜混合物を使用することができる。差動構想に合わせて各イ オン種にキャリヤ含有隔膜もキャリヤなしの隔膜膜も使用される。

電極面に隔膜を被着するには以下の如（処理する。

ＣａＣｌ２を介しセンサを乾燥させた後、テトラヒドロフランに溶かしたＰｖＣ 隔膜の２１％溶液７μｍを適宜な電極くぼみ内にピペットで移す。テトラヒドロ フランの蒸発後、この処理を繰り返す。その後、電解質混合物内で隔膜の状態調 節を行う。

電極マスクでセンサ帯域の形状寸法が厳密に定義してあり、単純な液体計量で再 現可能な同一厚の隔膜を製造することができる。隔膜は電極面に接着によって固 定しであるのでそれを再び引き剥がし、清浄後センサモジュールを新たに被覆す ることができる。

第６図に例として挙げたイオンについて感応性隔膜の組成が次掲の表に記載しで ある。これらの隔膜組成は典型的イオン選択性電極について記載した混合物の場 合に相当する。差動隔膜はキャリヤが欠けている点で選択性隔膜と相異している 。

ＴＥＨＰ　＝亜燐酸トリス（２エチルヘキシル）ｏＮＰＯＥ　＝オルトニトロフ ェニルオクチルエーテル第６図では上述した本発明センサの応答曲線がカルシウ ムイオンについてのものが部分図（Ｉ）に、アンモニアイオンについてのものが 部分図（ｎ）に、そして陽子についてのものが部分図（ＩＩ［）に挙げである。

部分図工、Ｈの応答曲線は塩化物塩の水溶液にあてはまり、陽子センサの応答挙 動は燐酸ナトリウム緩衝液５００ｍＭ（充填した測定点）と５０ｍＭ（未充填測 定点）とについて記載したものである。部分図（ＩＶ）に応答時間とセンサの直 線性範囲で求めた勾配がまと本発明によるセンサは、医療技術、化学分析技術。

環境保護等の分野で各種の測定に利用することができる。

ｐ）−ｉ 選択性　　Ｈ”　　Ｃａ”　　ＮＨ“ 国際弘前報告 Ａ’ＤＥ、Ａ、３４３０９４１ｆＴ、に、ＭＡＲＵ＋ＩＺＵＭＩ１１４Ｍｌｌｒ ｃｈ１９８５１１’１、　　　ｓｅｅ　ａｂｓｔｒａｃｔ 。。＋−１ｃｊｌｓＡ７＋。−１゜１．、．１．、、．１１，５　　′′□□□ ”□−国際調査報告 ＯＥ　８９００５２５

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．流体（１１）の１つの化学的性質を選択定量する化学感応性変換器（１０） であって、この化学的性質に感応する隔膜（２９）で覆われた付属の測定電極（ １９）にそのデードが接続してある少なくとも１個の電界効果トランジスタと、 隔膜（単・複）（２９）を除き変換器（１０）全体を流体（１１）から隔離する カプセル（３０）とを備えたものにおいて、片面に測定電極（１９）、反対面に 電界効果トランジスタを含む増幅回路（２２）を配置した支持板（１８）が設け てあり、測定電極（１）が支持板（１８）に挿通した導体（２４）を介し電界効 果トランジスタのゲートと電気的に接続してあることを特徴とする変換器。
2. ２．支持板（１８）が絶縁材料からなることを特徴とする請求の範囲１記載の変 換器。
3. ３．支持板がＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３等の磁器材料、ガラス、エポキシ樹脂又は合 成樹脂材料からなることを特徴とする請求の範囲２記載の変換器。
4. ４．増幅回路（２２）と支持板（１８）との間に導体膜（２０）が測定電極（１ ９）に向き合わせて配置してあることを特徴とする請求の範囲２又は３記載の変 換器。
5. ５．測定電極（１９）と電界効果トランジスタとを電気的に接続（２４）するた め支持板（１８）に直径０．１ｍｍ未満の穴が穿設してあり、少なくとも穴の壁 が導電性材料で被覆してあることを特徴とする請求の範囲１乃至４のいずれか１ 項記載の変換器。
6. ６．測定電極（１９）、支持板（１８）に挿通した導体（２４）及び場合によっ ては導体膜（２０）が流体に対し化学的に不活性な材料からなることを特徴とす る請求の範囲１乃至５のいずれか１項記載の変換器。
7. ７．前記材料が金，白金，銀，銅，パラジウム又はそれらの合金、又は導電性高 分子であることを特徴とする請求の範囲６記載の変換器。
8. ８．支持板（１８）に被著したマスク板で測定電極（１９）の面を制限したこと を特徴とする請求の範囲１乃至７のいずれか１項記載の変換器。
9. ９．マスク板（２７）が穴を覆うことを特徴とする請求の範囲５に合わせて請求 の範囲８記載の変換器。
10. １０．マスク板（２７）と支持板（１８）との間に穴を覆う絶縁体膜が配置して あることを特徴とする請求の範囲９記載の変換器。
11. １１．絶縁体膜がＳｉＯ２，ポリイミド，エポキシ樹脂，アルミナ又はシリコー ン樹脂からなることを特徴とする請求の範囲１０記載の変換器。
12. １２．マスク板（２７）が取外し可能であることを特徴とする請求の範囲１乃至 １１のいずれか１項記載の変換器。
13. １３．隔膜（２９）が（電気）化学反応により又は溶解した形で被着可能である ことを特徴とする請求の範囲１乃至１２のいずれか１項記載の変換器。
14. １４．支持板（１８）、マスク板（２７）、そして増幅回路（２２）をカプセル 封入するカバー（３０）が同じ絶縁材料からなることを特徴とする請求の範囲１ 乃至１３のいずれか１項記載の変換器。
15. １５．増幅回路（２２）を取り囲み支持板（１８）とカバー（３０）とにより囲 繞された空間に不活性ガスを圧縮充填したことを特徴とする請求の範囲１乃至１ ４のいずれか１項記載の変換器。
16. １６．それが活性測定電極と不活性電極とを備えた差動センサ対を少なくとも１ つ有することを特徴とする請求の範囲１乃至１５のいずれか１項記載の変換器。