JP2002122600A - バイオセンサー用センサーチップ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】生体成分液中の被検出物質を高い精度で検出す
ることができるバイオセンサー用センサーチップを提供
する。繰返し検出することができ、検出コストを低減す
ることができるバイオセンサー用センサーチップを提供
する。検出過程における外部環境に影響されずに高精度
に被検出物質を検出することができるバイオセンサー用
センサーチップを提供する。 【解決手段】バイオセンサーにおいて生体成分中の目的
とする被検出物質を捕捉して検出するセンサーチップは
陽電極及び陰電極が所定の間隔をおいて相対配置され、
該陰電極上に被検出物質からなるチップ素材が電気的絶
縁状態で配置された反応容器内に有機又は無機化合物の
原料ガスを導入して所定のガス圧に調整した状態で陽電
極及び陰電極間に印加された電圧により発生するグロー
放電により原料ガス中の有機又は無機物質をプラズマ化
してチップ素材に付着堆積させて製膜した後、チップ素
材を溶解除去して被検出物質に一致する凹部を有して形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、生体成分（細胞、
蛋白質、ＤＮＡ、ホルモン等）の内から目的の被検出物
質を検出するバイオセンサーに使用するセンサーチップ
に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】例えば各種分析試験に
おいては、生体成分から被検出物質を検出する際に、蛍
光物質等の標識物質を使用することなく、リガンドの変
化を高感度に検出することができる表面プラズモン共鳴
（ＳＰＲ）を利用したバイオセンサーを使用している。

【０００３】該ＳＰＲバイオセンサーのセンサーチップ
としては、ガラス基板上に成膜された金薄膜上に所望の
被検出物質だけに結合する生理活性物質（細胞、蛋白
質、脂質等）を担持させて構成している。

【０００４】そして合成繊維や天然繊維等からなる多孔
性材料を形成し、該多孔性材料に所望の被検出物質だけ
に結合する酵素や抗体等の生理活性物質を担持させて構
成している。

【０００５】そして金膜上にて被検出物質を含んだ生体
成分液をフローすると、該被検出物質が生理活性物質に
結合して質量が増大して誘電率が変化している。この誘
電率の変化をＳＰＲ角により検出して被検出物質を検出
している。

【０００６】また、同様の用途に使用される水晶振動子
センサーにあっては、振動電極板に同様のセンサーチッ
プを取り付け、生理活性物質と被検出物質の結合による
質量変化により水晶振動子の振動数が変化することによ
り被検出物質の検出を可能にしている。

【０００７】しかし、何れのセンサーチップにおいて
も、被検出物質の検出に寄与する生理活性物質は、蛋白
質の場合が多く、外部環境（温度・ｐＨ・緩衝能・イオ
ン強度・補因子等）に大きく影響されて失活し易かっ
た。このため、金表面に効率良く固定することができて
も、環境の影響や固定による立体構造変化により失活し
てしまい、被検物質を捕捉する効率が著しく低下してし
まうのが現状であった。

【０００８】また、被検物質を捕捉するための生理活性
物質は、大抵非常に高価な場合が多く、市販で入手でき
る量も少量であるのが実情であった。

【０００９】本発明は、上記した従来の欠点を解決する
ために発明されたものであり、その課題とする処は、生
体成分液中の被検出物質を高い精度で検出することがで
きるバイオセンサー用センサーチップを提供することに
ある。

【００１０】本発明の他の課題は、繰返し検出すること
ができ、検出コストを低減することができるバイオセン
サー用センサーチップを提供することにある。

【００１１】本発明の他の課題は、検出過程における外
部環境に影響されずに高精度に被検出物質を検出するこ
とができるバイオセンサー用センサーチップを提供する
ことにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、生体成分中の
目的とする被検出物質をセンサーチップに捕捉して検出
するバイオセンサーにおいて、センサーチップは陽電極
及び陰電極が所定の間隔をおいて相対配置され、該陰電
極上に被検出物質からなるチップ素材が電気的絶縁状態
で配置された反応容器内に有機又は無機化合物の原料ガ
スを導入して所定のガス圧に調整した状態で陽電極及び
陰電極間に印加された電圧により発生するグロー放電に
より原料ガス中の有機又は無機物質をプラズマ化してチ
ップ素材に付着堆積させて製膜した後、チップ素材を溶
解除去して被検出物質に一致する凹部を有したことを特
徴とする。

【００１３】

【発明の実施形態】以下、本発明の実施形態を図に従っ
て説明する。 実施形態１ 本実施形態は、ＳＰＲバイオセンサーに適用したもの
で、図１〜図４において、ＳＰＲバイオセンサー１の一
部を構成するガラス基板３の上面には金（Ａｕ）または
銀（Ａｇ）等の金属薄膜５が所定の膜厚（５〜５０ｎ
ｍ）で成膜されている。

【００１４】ガラス基板３の下面には光学屈折率がガラ
ス基板３とほぼ等しい値（１．４〜２．０）からなる半
円筒プリズム７がマッチングオイル、シリコンゴムシー
ト等により密着して取り付けられている。そして図示す
る半円筒プリズム７の中心鉛直線左側の外周側には光照
射装置９が、また同右側の外周側には受光装置１１が対
称配置されている。

【００１５】光照射装置９は所定波長のレーザ光を出力
するレーザ光源１３と、レーザ光源１３からのレーザ光
を、半円筒プリズム７を透過してガラス基板３と金属薄
膜５の境界において所定の領域幅に収束させる光学レン
ズ１５とから構成される。

【００１６】なお、前記境界に対するレーザ光の収束態
様としては光学レンズ１５により所定のビーム径に収束
させてもよい。この場合にあっては、半円筒プリズム７
の外周面に対して光照射装置９及び受光装置１１を同期
して互いに反対方向へ所定の角度幅で回動させる。

【００１７】受光装置１１はガラス基板３と金属薄膜５
の境界から反射したレーザ光を平行光に形成する光学レ
ンズ１７と、多数の受光素子１９ａがＳＰＲ角の検出分
解能に応じた間隔で配列されたフォトダイオードアレイ
やＣＣＤ等の受光部材１９とから構成される。これによ
り夫々の受光素子１９ａは反射角度に応じたレーザ光を
受光して光強度に応じた電気信号を出力する。

【００１８】金属薄膜５の上面には、後述するセンサー
チップ２１が固定される。センサーチップ２１の固定方
法としては、センサーチップ２１がハイドロカーボンに
より製作される場合にはＣ−Ｈ基による化学的結合が適
している。

【００１９】金属薄膜５の上面にはセルブロック２３
が、マッチングオイルまたはシリコンゴムシート等を介
して密着されている。セルブロック２３における金属薄
膜５の相対面にはフローセル２５が形成され、該フロー
セル２５の一方端部に応じたセルブロック２３には供給
流路部材２７が、またフローセル２５の他方端部に応じ
たセルブロック２３には排出流路部材２９が夫々設けら
れ、フローセル２５内にて被検出物質を含んだ生体成分
液２２をフローさせる。

【００２０】図４において、センサーチップ製造装置と
してのプラズマ製膜装置３１の反応容器３３内には陽電
極３５及び陰電極３７が所定の間隔をおいて相対配置さ
れ、これら陽電極３５及び陰電極３７には高圧直流電源
装置３９が接続される。そして両電極３５・３７間には
０．５〜３ＫＶの直流電圧が印加される。

【００２１】通常は陰電極３７をアース接続し、陽電極
３５及び陰電極３７間に（＋）電位の直流電圧を印加す
るが、陽電極３５をアース接続すると共に陰電極３７を
（−）電位に接続して両者間に（−）電位の直流電圧を
印加してもよい。

【００２２】反応容器３３には真空排気装置４１が接続
され、反応容器３３内を１．３×１０ ^-4Ｐａ以下の高真
空に形成する。そして反応容器３３の一部には原料ガス
導入部４３が設けられ、原料ガス導入部４３を介して反
応容器３３内に、例えばオスミウムガス、ハイドロカー
ボンガス等の有機化合物または無機化合物からなる原料
ガスを供給する。そして原料ガスが導入された反応容器
３３内のガス圧は真空排気装置４１による排気量及び原
料ガスの供給量を調整して約７．９８〜１３．３Ｐａに
設定される。

【００２３】原料ガスとしては、上記したガスの他に金
属化合物の金属としては、例えば周期率表のI族〜VIII
族の金属が利用可能で、金属単体または有機もしくは無
機の金属化合物として使用する。

【００２４】反応容器３３内に対する原料ガスの供給方
法としては、例えばメタンカーボンガスやエチレンガス
等にあっては、これらのガスが圧縮充填されたガスボン
ベから直接供給する方法、または四酸化オスミウムのよ
うな昇華物質にあっては反応容器３３内に投入して昇華
させて供給する方法の何れであってもよい。

【００２５】そして陰電極３７の上面にはセンサーチッ
プ２１に形成されるチップ素材４５が、ガラス板、シリ
コン板、セラミック板等の電気絶縁体４７を介して載置
される。電気絶縁体４７はその高さが、チップ素材４５
を陽電極３５及び陰電極３７間に発生するグロー放電の
負グロー層（陰電極３７上面から１〜５mm）内に位置す
るように設定される。また、チップ素材４５は被検出物
質としての、例えば蛋白質、ＤＮＡ等の生体物質を凍結
乾燥或いは熱乾燥して所定の形状を保っている。

【００２６】上記チップ素材４５は以下のようにしてセ
ンサーチップ２１に製造される。先ず、陰電極３７上に
電気絶縁体４７を介してチップ素材４５をセットして負
グロー層内に位置させた状態で真空排気装置４１を駆動
して反応容器３３内を、例えば１．３×１０^-4Ｐａ以下
の高真空にし、反応容器３３内から不純物を除去する。

【００２７】次に、原料ガス導入部４３から原料ガスを
導入して充満させる。このとき、真空排気装置４１の排
気量を弱めた状態で原料ガスを導入することにより反応
容器３３内における原料ガス圧が約１．３３〜１３．３
Ｐａになるように調整する。

【００２８】この状態で、陽電極３５及び陰電極３７間
に直流電圧を印加して両者間にグロー放電を発生させる
と、図５に示すように陽電極３５及び陰電極３７間にお
ける原料ガス中のオスミウム原子またはカーボン原子を
（＋）イオン化してプラズマ化させる。これにより
（＋）イオン化したオスミウム原子またはカーボン原子
が（−）電位の陰電極３７側へ引き寄せられてチップ素
材４５の表面に付着して堆積し、オスミウム薄膜または
カーボン薄膜に形成される。

【００２９】このとき、チップ素材４５が負グロー層内
に位置しているため、オスミウム原子またはカーボン原
子はチップ素材４５の周囲、特にアンダーカットになっ
た面に対しても有効に回り込んで付着堆積し、表面全体
に均一な厚さ（約１０〜５００Å）の薄膜を形成する。

【００３０】チップ素材４５の表面に形成される薄膜の
膜厚は、導入される原料ガス濃度（原料ガス圧）、陽電
極３５及び陰電極３７間の印加電圧、印加電流及び時間
等のパラメータにより決定されるが、通常は膜厚が１〜
５０ｎｍになるようにこれらのパラメータを適宜設定す
る。

【００３１】次に、表面にオスミウム薄膜またはカーボ
ン薄膜が製造されたチップ素材４５を溶解液中に浸漬し
て溶解除去し、チップ素材４５、即ち被検出物質の生体
物質と一致する形状の凹部２１ａを有したオスミウム薄
膜またはカーボン薄膜からなるセンサーチップ２１に形
成する。

【００３２】次に、ＳＰＲバイオセンサー１による被検
出物質の検出作用を説明する。先ず、供給流路部材２７
から緩衝液を供給してフローセル２５内を緩衝液で満た
す。この状態にて光照射装置９からレーザ光を、フロー
セル２５の領域全体に照射し、ガラス基板３と金属薄膜
５の境界からの反射レーザ光を受光装置１１に受光させ
る。

【００３３】そしてフローセル２５内に緩衝液をフロー
させた状態で測定したレーザ光入射角度毎の反射光強度
が最も減衰するＳＰＲ角を、基準ＳＰＲ角として記憶部
材（図示せず）に記憶させる。

【００３４】次に、図６に示すように供給流路部材２７
から緩衝液に代えて被検出物質を含んだ生体成分液を供
給流路部材２７から供給してフローセル２５内をフロー
させる。これにより生体成分液中に含まれた生体物質の
内、検出しようとする被検出物質（説明の便宜上、被検
出物質を記号△で示す）はセンサーチップ２１の上面を
通過する際に凹部２１ａ内に嵌まり込んで固定されると
共にそれ以外の非検出物質（説明の便宜上、非検出物質
を記号○及び□で示す）は凹部２１ａに嵌まり込まずに
そのままフローして排出流路部材２９から回収される。

【００３５】このとき、凹部２１ａに被検出物質が嵌ま
り込んで固定されると、固定された被検出物質により金
属膜表面近傍の誘電率が変化することによりＳＰＲ角が
変動する。このＳＰＲ角の変動に基づいて生体成分液中
における所望の被検出物質を検出する。他の検出例とし
ては、単位時間当りにおけるＳＰＲ角の変化量に基づい
て生体成分液中における被検出物質の濃度を測定するこ
とができる。

【００３６】実施形態２ 本実施形態のバイオセンサーは水晶振動子センサー７１
のセンサーチップ７３を使用したことを特徴とする。

【００３７】図７及び図８において、水晶振動子センサ
ー７１の水晶振動子７５は固有振動数ｆ0で振動する特
性を有している。また、水晶振動子７５の各面には第１
及び第２電極板７７・７９が夫々成膜されている。そし
て水晶振動子７５は絶縁基板８１上にマッチングオイ
ル、シリコンラバーシート等を介して密着固定されてい
る。

【００３８】また、水晶振動子７５が固定された絶縁基
板８１上にはセルブロック８３が、同様にマッチングオ
イル、シリコンラバーシート等を介して密着固定されて
いる。セルブロック８３は少なくとも水晶振動子７５を
収容する容量のフローセル８５が形成され、該フローセ
ル８５の一方端部側のセルブロック８３には生体成分液
の供給流路部材８７が、またフローセル８５の他方端部
側のセルブロック８３にはフローセル８５からオーバー
フローした生体成分液を回収する排出流路部材８９が夫
々設けられている。

【００３９】そしてフローセル８５内に位置する水晶振
動子７５の第２電極板７９上にはセンサーチップ７３が
固定される。センサーチップ７３は実施形態１のセンサ
ーチップ２１と同様にプラズマ製膜原理により製造され
るものであり、その詳細な説明を省略する。

【００４０】次に、水晶振動子センサー７１による被検
出物質の検出作用を説明する。水晶振動子７５自体の固
有振動数ｆ0は予め決定されているが、フローセル８５
内に生体成分液をフローした際の振動数は生体成分液の
質量により固有振動数ｆ0と異なる。このため、検出に
先立って供給流路部材８７からフローセル８５内に緩衝
液を供給し、フローセル８５内に緩衝液が満たされた状
態の振動数ｆ1を測定する。

【００４１】次に、フローセル８５内から緩衝液を排出
した後、被検出物質を含んだ生体成分液を供給流路部材
８７から供給すると共にフローセル８５からオーバーフ
ローした生体成分液を排出流路部材８９を介して排出す
ることによりフローセル８５内にてフローさせる。

【００４２】フローセル８５内にて生体成分液がフロー
する際に、センサーチップ７３の凹部７３ａ内に生体成
分液中の目的とする被検出物質が嵌まり込んで固定さ
れ、第２電極板７９に固定されたセンサーチップ７３の
質量が増大し、水晶振動子７５の振動数がｆ1からｆ2へ
変移する。水晶振動子７５の周波数変位Δｆ＝ｆ2−ｆ1
に基づいて生体成分中の被検出物質を検出する。他の測
定態様としては、単位時間当りの周波数変動に基づいて
生体成分液中における被検出物質の濃度を測定する。

【００４３】

【発明の効果】本発明は、生体成分液中の被検出物質を
高い精度で検出することができる。また、繰返し検出す
ることができ、検出コストを低減することができる。更
に、検出過程における外部環境に影響されずに高精度に
被検出物質を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＳＰＲバイオセンサーの概略図である。

【図２】図１の箇所Ａを拡大して示す説明図である。

【図３】センサーチップの拡大部分斜視図である。

【図４】センサーチップの製造装置を示す説明図であ
る。

【図５】成膜状態を示す説明図である。

【図６】検出状態を示す説明図である。

【図７】水晶振動子センサーの説明図である。

【図８】図７の箇所Ｂを拡大して示す説明図である。

【符号の説明】

１−ＳＰＲバイオセンサー、２１−センサーチップ、２
１ａ−凹部、３３−反応容器、３５−陽電極、３７−陰
電極、４５−チップ素材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 高遠 名古屋市熱田区三本松町20番９号 日本レ ーザ電子株式会社内 Ｆターム(参考） 2G057 AA02 AB04 AB07 AC01 BA05 DB05 DC07 2G059 AA05 BB12 CC16 DD12 DD13 EE02 FF06 GG01 JJ11 JJ12 KK04

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】生体成分中の目的とする被検出物質をセン
   サーチップに捕捉して検出するバイオセンサーにおい
   て、センサーチップは陽電極及び陰電極が所定の間隔を
   おいて相対配置され、該陰電極上に被検出物質からなる
   チップ素材が電気的絶縁状態で配置された反応容器内に
   有機又は無機化合物の原料ガスを導入して所定のガス圧
   に調整した状態で陽電極及び陰電極間に印加された電圧
   により発生するグロー放電により原料ガス中の有機又は
   無機物質をプラズマ化してチップ素材に付着堆積させて
   製膜した後、チップ素材を溶解除去して被検出物質に一
   致する凹部を有してなるバイオセンサー用センサーチッ
   プ。
2. 【請求項２】請求項１において、バイオセンサーはセン
   サーチップが固定される金属薄膜が製膜された基板と、
   金属薄膜と反対側の基板に密着されるプリズムと、基板
   と金属薄膜の境界に光を照射する光照射装置と、前記境
   界からの反射光を受光して光強度に応じた電気信号を出
   力する受光装置と、センサーチップに応じた大きさのフ
   ローセルを有して基板に密着され、フローセル内に被検
   出物質を含んだ試料液を供給して流通させるセルブロッ
   クとからなり、フローセル内を流通する試料液中の被検
   出物質がセンサーチップの凹部に捕捉されることによる
   誘電率変化に基づく表面プラズモン共鳴角により被検出
   物質を検出可能にしたバイオセンサー用センサーチッ
   プ。
3. 【請求項３】請求項１において、バイオセンサーは固有
   振動数で発振する水晶振動子と、該水晶振動子の一方側
   面に密着される第１電極板と、該水晶振動子の他方側面
   に密着され、センサーチップが固定される第２電極板と
   からなり、センサーチップに対する試料液のフローに伴
   って被検出物質がセンサーチップの凹部に捕捉された際
   の質量変化による周波数変位に基づいて被検出物質を検
   出可能にしたバイオセンサー用センサーチップ。
4. 【請求項４】請求項１において、原料ガスは四酸化オス
   ミウムの昇華ガスとしたバイオセンサー用センサーチッ
   プ。
5. 【請求項５】請求項１において、原料ガスはメタン・エ
   チレン混合ガスとしたバイオセンサー用センサーチッ
   プ。