JP2019158650A - Transistor type enzyme sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】薄くて柔軟な基板に印刷で形成可能なため身体への装着に優れる有機トランジスタを用いて、かつ電子伝達メディエータが可逆な酸化、あるいは還元反応をし、生体反応のモニタリングに好適な、生体物質を酵素反応により電極の電圧変化で検出するトランジスタ型酵素センサを提供する。【解決手段】少なくとも参照電極4と作用電極2と有機半導体層10とを備え、参照電極と作用電極とは酸化還元物質および/または酵素を含む測定溶液3に接し、測定溶液中の特定物質を酵素反応により電極で検出する場合において、参照電極と作用電極との間に外部抵抗5を設ける。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To use an organic transistor which can be formed on a thin and flexible substrate by printing and is excellent in mounting on a body, and an electron transfer mediator undergoes a reversible oxidation or reduction reaction, which is suitable for monitoring a biological reaction. Provided is a transistor type enzyme sensor that detects a biological substance by a voltage change of an electrode by an enzyme reaction. SOLUTION: The reference electrode 4 and the working electrode 2 and the organic semiconductor layer 10 are provided, and the reference electrode and the working electrode are in contact with a measurement solution 3 containing an oxidation-reducing substance and / or an enzyme, and a specific substance in the measurement solution is brought into contact with the measurement solution 3. When detecting with an electrode by an enzymatic reaction, an external resistance 5 is provided between the reference electrode and the working electrode. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、トランジスタ型酵素センサ、特に生体物質を酵素反応により電極で検出する場合において、可逆的な応答を示すため生体反応のモニタリングに好適なトランジスタ型酵素センサに関する。 The present invention relates to a transistor-type enzyme sensor, and more particularly to a transistor-type enzyme sensor suitable for monitoring a biological reaction since it shows a reversible response when a biological substance is detected by an electrode by an enzyme reaction.
生体由来材料を素子としたバイオセンサは、その高い選択性を活かし、夾雑物を多く含む生体液(血液、尿、涙液、唾液、汗など)中の特定物質の濃度測定などに応用されてきた。バイオセンサの一つである酵素センサは、生体物質を酵素反応により電極で検出可能な生成物を生じさせ、それを電極から電流または電圧信号として検出するセンサである。例えば血糖値計測に用いられるグルコースセンサは、酵素グルコースオキシダーゼによるグルコースの酸化反応に伴い還元された酸素または酸化還元物質、あるいは生成した過酸化水素を電極で検出する。 Biosensors using bio-derived materials as elements have been applied to the measurement of the concentration of specific substances in biological fluids (blood, urine, tears, saliva, sweat, etc.) that contain a lot of contaminants, taking advantage of their high selectivity. It was. An enzyme sensor, which is one of biosensors, is a sensor that generates a product capable of being detected by an electrode by an enzymatic reaction, and detects the product as an electric current or a voltage signal from the electrode. For example, a glucose sensor used for blood glucose level measurement detects, with an electrode, oxygen or a redox substance that has been reduced in association with an oxidation reaction of glucose by the enzyme glucose oxidase, or generated hydrogen peroxide.
ところで、トランジスタ型酵素センサは、参照電極と、酵素と反応する作用電極とを浸漬した測定溶液を介してゲート電圧を印加することで、ソース電極とドレイン電極間の電流を制御する構成を有している。そのため、酵素反応の進行に伴い作用電極に生じる電圧が変化すると、トランジスタに印加されるゲート電圧が変化する。この時のトランジスタの閾値電圧の変化、あるいはソース電極とドレイン電極との間の電流の変化を計測し、測定対象を検出する。 By the way, the transistor-type enzyme sensor has a configuration in which a current between the source electrode and the drain electrode is controlled by applying a gate voltage through a measurement solution in which a reference electrode and a working electrode that reacts with an enzyme are immersed. ing. Therefore, when the voltage generated at the working electrode changes as the enzyme reaction proceeds, the gate voltage applied to the transistor changes. At this time, a change in the threshold voltage of the transistor or a change in current between the source electrode and the drain electrode is measured to detect a measurement target.
例えば、図10に示す酸化酵素を用いるトランジスタ型酵素センサが、特許文献1に開示されている。ここで用いるトランジスタは公知のトランジスタ構造により構成することができ、無機トランジスタでも、有機トランジスタであってもよい。そして、酵素と生体物質との反応に伴い電子伝達メディエータと呼ばれる酸化還元物質が酸化、あるいは還元され、ネルンスト式に従う作用電極での電圧変化をトランジスタで検出するものである。
For example,
ここで、トランジスタ型酵素センサは、電子伝達メディエータが可逆な酸化、あるいは還元反応をすれば、作用電極の電圧が可逆な反応に応じた変化を示すため生体反応のモニタリングができることになる。
そして、電子伝達メディエータの可逆な酸化、あるいは還元反応をもたらす方法が、特許文献2から4および非特許文献1に開示されている。
Here, in the transistor-type enzyme sensor, when the electron transfer mediator undergoes reversible oxidation or reduction reaction, the voltage of the working electrode shows a change corresponding to the reversible reaction, so that the biological reaction can be monitored.
特許文献1において、トランジスタ型酵素センサに有機トランジスタを用いると、トランジスタが高抵抗なために電子伝達メディエータと作用電極との定常的な反応が進まず、参照電極と作用電極との間に定常的な電流が発生しないため、不可逆的に酸化型、あるいは還元型メディエータが蓄積する。ここで、トランジスタ型酵素センサに無機トランジスタを用いると硬い基板上に形成されるために、身体への装着に不都合な課題がある。このように有機トランジスタを用いるトランジスタ型酵素センサで生体反応のモニタリングをするには、電子伝達メディエータと作用電極との反応の不可逆性の課題がある。このために、生体反応の経時的変化をモニタリングすることができない。
In
特許文献2では、電子伝達メディエータの反応を可逆にするため、酸化または還元剤を測定溶液に添加する方法は開示されているが、添加剤が必要なセンサは測定溶液が生体液の場合には添加するのが難しく、さらに安定的な添加剤の添加が必要となり手間もかかる。
特許文献3では、可逆応答を示すpHセンサに酵素を搭載したセンサ(酵素反応に伴うpH変化を検出)が開示されているが、pH緩衝能を有する生体液では感度が不足する。
特許文献4では、電圧を印加し電気化学的に電子伝達メディエータを再生する方法が提案されているが、全ての酸化還元体を効率良く電気化学的に再生することは困難であり、電圧解除後に溶存酸素との反応などで電位がドリフトするため、定量性が課題である。
非特許文献1では、酵素反応で生じる起電力をセンサ出力とする酵素電池型センサが開示されている。アノードとカソードを抵抗で短絡することで酸化還元物質、あるいは酵素の自発的なレドックスサイクルを誘発する。しかし、酵素反応の進行に伴う作用電極の電圧の変化を、トランジスタの閾値電圧の変化、あるいはソース電極とドレイン電極との間の電流の変化として検出するセンサではない。
Non-Patent
本発明の目的は、上記の課題を解決し、薄くて柔軟な基板に印刷で形成可能なため身体への装着に優れる有機トランジスタを用いて、かつ電子伝達メディエータが可逆な酸化、あるいは還元反応をし、生体反応のモニタリングに好適な、生体物質を酵素反応により電極の電圧変化で検出するトランジスタ型酵素センサを提供する。 The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, use an organic transistor excellent in wearing on the body because it can be formed on a thin and flexible substrate, and the electron transfer mediator performs reversible oxidation or reduction reaction. A transistor-type enzyme sensor suitable for monitoring a biological reaction and detecting a biological substance by a voltage change of an electrode by an enzyme reaction is provided.
本発明は、トランジスタ型酵素センサであって、酸化還元物質および/または酵素を含む測定溶液と接する参照電極と、測定溶液の酸化還元物質および/または酵素と反応する作用電極と、参照電極と作用電極との間に設けられる外部抵抗と、反応電極の電圧の変化を入力するゲート電極、半導体層が有機半導体層、ソース電極およびドレイン電極を有する有機トランジスタと、から構成され、ソース電極とドレイン電極との間の電流の変化を検出することを特徴とする。 The present invention relates to a transistor-type enzyme sensor, which is a reference electrode in contact with a measurement solution containing a redox substance and / or an enzyme, a working electrode that reacts with the redox substance and / or enzyme of the measurement solution, a reference electrode, and an action An external resistance provided between the electrode, a gate electrode for inputting a change in voltage of the reaction electrode, an organic transistor having a semiconductor layer having an organic semiconductor layer, a source electrode, and a drain electrode, and the source electrode and the drain electrode It is characterized by detecting a change in current between the two.
本トランジスタ型酵素センサにあっては、有機トランジスタを用いて、酵素反応の進行に伴う作用電極の電圧の変化をトランジスタの閾値電圧の変化、あるいはソース電極とドレイン電極との間の電流の変化として検出するので、微弱な電圧変化を増幅でき高感度な検出を実現することができる。 In this transistor type enzyme sensor, using an organic transistor, the change in the voltage of the working electrode as the enzyme reaction proceeds is changed as the change in the threshold voltage of the transistor or the change in the current between the source electrode and the drain electrode. Since the detection is performed, it is possible to amplify a weak voltage change and realize a highly sensitive detection.
さらに、本トランジスタ型酵素センサにあっては、参照電極と作用電極との間に外部抵抗を設けることにより、参照電極と作用電極の標準酸化還元電位の差に基づく電子伝達メディエータの自発的な酸化、あるいは還元反応を促し、参照電極と作用電極との間に定常的な電流が発生し、作用電極の反応を可逆にするため、生体反応の経時的変化をモニタリングすることができる。 Furthermore, in this transistor-type enzyme sensor, by providing an external resistance between the reference electrode and the working electrode, spontaneous oxidation of the electron transfer mediator based on the difference in standard redox potential between the reference electrode and the working electrode is achieved. Alternatively, a reduction reaction is promoted, a steady current is generated between the reference electrode and the working electrode, and the reaction of the working electrode is made reversible, so that changes in biological reactions over time can be monitored.
本発明は、トランジスタ型酵素センサであって、参照電極と作用電極との間に外部コンデンサがさらに設けられることを特徴とする。
本トランジスタ型酵素センサにあっては、参照電極と作用電極との間に外部コンデンサをさらに設けられることにより、コンデンサの直流電流は通さないが高い周波数の交流電流ほど通しやすいという基本性質を利用し、参照電極と作用電極との間に発生するノイズを除去することで、さらに高精度な検出を実現することができる。
本発明は、トランジスタ型酵素センサであって、作用電極がゲート電極と一体に形成されていることを特徴とする。
本トランジスタ型酵素センサにあっては、作用電極がゲート電極と一体に形成されることにより、延長ゲート電極の構造となり、作用電極だけを測定溶液に浸漬することで安定した計測ができるので好ましい。
The present invention is a transistor-type enzyme sensor, wherein an external capacitor is further provided between the reference electrode and the working electrode.
This transistor-type enzyme sensor uses the basic property that an external capacitor is further provided between the reference electrode and the working electrode, so that the DC current of the capacitor does not pass but the higher frequency AC current is easier to pass. Further, by removing noise generated between the reference electrode and the working electrode, it is possible to realize detection with higher accuracy.
The present invention is a transistor-type enzyme sensor, wherein a working electrode is formed integrally with a gate electrode.
In this transistor type enzyme sensor, the working electrode is formed integrally with the gate electrode, so that an extended gate electrode structure is formed, and only the working electrode is immersed in the measurement solution, which is preferable.
本発明は、トランジスタ型酵素センサであって、酸化還元物質がプルシアンブルーであることを特徴とする。
本トランジスタ型酵素センサにあっては、酸化還元物質がプルシアンブルーであることにより、その卑な標準酸化還元電位のために夾雑物の酸化を避けながらプルシアンブルーを選択的に酸化できるので好ましい。
本発明は、トランジスタ型酵素センサであって、参照電極が銀(Ag)/塩化銀(AgCl)で形成されていることを特徴とする。
本トランジスタ型酵素センサにあっては、参照電極が、プルシアンブルーより卑な標準酸化還元電位を有し、かつ溶液との界面で可逆的な酸化還元反応を示す銀(Ag)/塩化銀(AgCl)で形成されていることにより、酸化型プルシアンブルーの自発的な還元反応を誘起できるので好ましい。
The present invention is a transistor-type enzyme sensor, wherein the redox material is Prussian blue.
In this transistor-type enzyme sensor, it is preferable that the redox substance is Prussian blue because Prussian blue can be selectively oxidized while avoiding oxidation of impurities because of its base standard redox potential.
The present invention is a transistor-type enzyme sensor, wherein the reference electrode is formed of silver (Ag) / silver chloride (AgCl).
In this transistor-type enzyme sensor, the reference electrode has a standard oxidation-reduction potential that is lower than that of Prussian blue, and exhibits a reversible oxidation-reduction reaction at the interface with the solution (Ag) / silver chloride (AgCl). ) Is preferable because a spontaneous reduction reaction of oxidized Prussian blue can be induced.
以上のように、本発明におけるトランジスタ型酵素センサにあっては、高抵抗の有機トランジスタであっても、参照電極と作用電極の標準酸化還元電位の差を利用した電子伝達メディエータの自発的な可逆反応を誘起できるため、参照電極と作用電極との間に定常的な電流が発生し、生体反応の経時的変化をモニタリングすることができる。さらに有機トランジスタは薄くて柔軟な基板に印刷で形成可能なため身体への装着に優れ、非常に小型で作用電極の近傍に配置できるため、微弱な電圧変化を有機トランジスタで増幅でき、高感度な計測ができる。 As described above, in the transistor-type enzyme sensor according to the present invention, even in the case of a high-resistance organic transistor, the spontaneous reversal of the electron transfer mediator using the difference in standard redox potential between the reference electrode and the working electrode Since the reaction can be induced, a steady current is generated between the reference electrode and the working electrode, and a change with time of the biological reaction can be monitored. In addition, the organic transistor can be formed on a thin and flexible substrate by printing, so it is easy to wear on the body, and it is very small and can be placed near the working electrode. Can measure.
以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明にかかるトランジスタ型酵素センサは、酸化還元物質および/または酵素を含む測定溶液と接する参照電極と、測定溶液の酸化還元物質および/または酵素と反応する作用電極と、参照電極と作用電極との間に設けられる外部抵抗と、反応電極の電圧の変化を入力するゲート電極、半導体層が有機半導体層、ソース電極およびドレイン電極を有する有機トランジスタと、から構成され、ソース電極とドレイン電極との間の電流の変化を検出する。 Embodiments of the present invention will be described below. A transistor-type enzyme sensor according to the present invention includes a reference electrode in contact with a measurement solution containing a redox substance and / or an enzyme, a working electrode that reacts with the redox substance and / or enzyme in the measurement solution, a reference electrode, and a working electrode. And an organic transistor having a semiconductor layer having an organic semiconductor layer, a source electrode, and a drain electrode, and an external resistance provided between the gate electrode for inputting a change in voltage of the reaction electrode, and an organic transistor having a source electrode and a drain electrode. Detect the change in current between.
図1に、本発明にかかるトランジスタ型酵素センサの基本的な構成を例示する。基板1の表面に作用電極2が形成され、作用電極2は測定溶液3と接し、および測定溶液3に接する状態として参照電極4が設けられている。作用電極2と参照電極4とは、外部抵抗5を介して導通されるとともに、作用電極2は有機トランジスタのゲート電極6と接続される。ゲート電極6の上に、ゲート絶縁膜7、次に、ソース電極8およびドレイン電極9、最後に、有機半導体層10を形成することで、有機トランジスタを構成している。必要に応じて保護層11が形成される。
FIG. 1 illustrates a basic configuration of a transistor-type enzyme sensor according to the present invention. A working
参照電極4は基準電位点(グランド)に接続され、測定溶液3を介して作用電極2が接続するゲート電極6にゲート電圧Vgが印加される。酵素反応の進行に伴い作用電極2の電位が変化すると、実効的にゲート電極6に印可される電圧が変化する。ソース電極8は基準電位点(グランド)に接続され、ドレイン電極9には動作電圧Vsdが供給される。これにより、トランジスタのゲート電極6に供給される電圧Vgに対して、ソース電極8とドレイン電極9との間の電流の変化を、動作電圧Vsdに応じてダイナミックレンジを大きくして検出することが可能となる。
The
基板1の材料としては、例えば、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリイミド、ポリパラキシリレン(パリレン(登録商標))等の樹脂や紙等を用いることができる。
ゲート電極6の材料としては、例えば、アルミニウム、銀、金、銅、白金、チタン、酸化インジウム錫(ITO)、poly(3,4−ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate(PEDOT:PSS)等を用いることができる。
As a material of the
As a material of the
ゲート絶縁膜7の構成材料としては、例えば、シリカ、アルミナ、自己組織化単分子膜(SAM)、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリレート、ポリジメチルシロキサン、ポリシルセスキオキサン、ポリテトラフルオロエチレン(テフロン(登録商標)AF)、サイトップ(登録商標)等を用いることができる。
ソース電極8およびドレイン電極9の材料としては、アルミニウム、銀、金、銅、白金、チタン、ITO、PEDOT:PSS等の導電性高分子等を用いることができる。
Examples of the constituent material of the
As a material of the
有機半導体10の構成材料としては、P型の場合は、ペンタセン、ジナフトチエノチオフェン、ベンゾチエノベンゾチオフェン(Cn−BTBT)、TIPSペンタセン、TES−ADT、ルブレン、P3HT、PBTTT等を用いることができ、N型の場合は、フラーレン等を用いることができる。
保護層11の構成材料としては、ポリテトラフルオロエチレン(テフロン(登録商標)AF)、サイトップ(登録商標)、ポリパラキシリレン(パリレン(登録商標))等を用いることができる。
As a constituent material of the
As a constituent material of the protective layer 11, polytetrafluoroethylene (Teflon (registered trademark) AF), Cytop (registered trademark), polyparaxylylene (parylene (registered trademark)), or the like can be used.
トランジスタの製造方法は、蒸着法、スパッタリング法等のドライプロセスでも、スピンコート、バーコート、スプレーコート等による塗布、スクリーン印刷、グラビアオフセット印刷、凸版反転印刷、インクジェット印刷等の各種印刷機による印刷でもよい。印刷によれば、より効率的に低コストで製造することができる。
ゲート電極6と作用電極2とは一体に作製された延長ゲートの構成を示しているが、ゲート電極6と作用電極2は別体で作製されこれらを連結する構成としてもよい。一体に形成しない場合には、作用電極2の材料は限定されず、例えば、アルミニウム、銀、金、銅、白金、カーボン、チタン、ITO、PEDOT:PSS等を任意に選択して用いることができる。
The transistor manufacturing method may be a dry process such as a vapor deposition method or a sputtering method, or may be applied by spin coating, bar coating, spray coating, etc., screen printing, gravure offset printing, letterpress reverse printing, inkjet printing, or other printing machines. Good. According to printing, it can manufacture more efficiently and at low cost.
Although the
酸化還元物質14としては、例えば、プルシアンブルー、フェロシアン化カリウム、フェリシアン化カリウム、フェロセン、フェロセン誘導体、キノン類、オスミウム錯体、ルテニウム錯体、フェノチアジン誘導体、フェナジンメトサルフェート誘導体、p−アミノフェノール、メルドラブルー、2,6−ジクロロフェノールインドフェノール、酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)、酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(NADP+)等を単独、あるいは複数の組み合わせで用いることができる。あるいは、図2のように、酵素13自身の活性中心に有する酸化還元物質が作用電極2と直接反応してもよい。
参照電極4には、上記酸化還元物質14が酵素反応の過程で酸化される場合は、その酸化還元物質14より卑な標準酸化還元電位を持つ電極を用いることができる。例えば、プルシアンブルーに対しては銀/塩化銀電極を用いることができる。一方、酸化還元物質14が酵素反応の過程で還元される場合は、その酸化還元物質14より貴な標準酸化還元電位を持つ電極を用いることができる。これらの酸化還元物質14は、上述の酸化還元物質14から任意の組み合わせで選ぶことができる。
Examples of the
As the
酵素13、および酸化還元物質14は、図1、図2のように測定溶液3中に溶解していてもよく、図3、図4のように作用電極2上に固定されていてもよい。また、酵素13と酸化還元物質14は、作用電極2上に層状に固定されていても(図3)、混合層13,14として固定されていてもよい(図4)。
トランジスタの構造は、図1のボトムゲート構造に限らず、図5に示すトップゲート構造も用いることができる。この場合、ゲート電極6と作用電極2は同じ電極が担う。ゲート電極6表面の構造は、図1から図4に示したものと同様の構造を採用できる。
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
The
The structure of the transistor is not limited to the bottom gate structure shown in FIG. 1, and a top gate structure shown in FIG. 5 can also be used. In this case, the
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example, this invention is not restrict | limited by the following Example.
図1は本発明にかかるトランジスタ型酵素センサの第一の実施例を説明するための断面図である。図2は本発明にかかるトランジスタ型酵素センサの第一の他の構成例を説明するための断面図である。まず構成について詳細に説明するが、図1と図2とで共通な構成は繰り返しの説明を省略する。 FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a first embodiment of a transistor-type enzyme sensor according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a first other configuration example of the transistor-type enzyme sensor according to the present invention. First, the configuration will be described in detail, but repeated description of the configuration common to FIGS. 1 and 2 is omitted.
まず、図1に示すトランジスタ型酵素センサについて説明する。本トランジスタ型酵素センサにあっては、トランジスタ部位と検出部位である延長ゲートから構成されている。 First, the transistor-type enzyme sensor shown in FIG. 1 will be described. This transistor type enzyme sensor is composed of a transistor part and an extension gate which is a detection part.
基板1のPENフィルム(厚さ125μm、テオネックス、帝人社製)上に、蒸着装置(クライオバック社製)を用い、メタルマスク(東京プロセスサービス社製)を介して金(厚さ50nm)を蒸着することで作用電極2のパターンを作製した。その作用電極2の上にプルシンブルー(PB)含有カーボン(C2070424P2、Gwent社製)を塗布し60℃で30分焼成することでPB電極膜を形成した。PB電極膜以外はテフロン(登録商標、5wt%、AF1600、三井・デュポンフロロケミカル社製)を塗布し、60℃で30分ベークすることで絶縁膜を得た。1.4μLの10unit/μLのグルコースオキシダーゼ(和光純薬社製)を含むリン酸緩衝溶液(pH7.4)と、10μLの0.1wt%キトサン(Sigma Aldrich社製)を含む塩酸溶液(pH5.4 , 0.1wt%)を混合し、その混合溶液全量をPB電極膜表面に滴下し、30℃で1時間乾燥することで酵素修飾電極を得た。
Gold (thickness: 50 nm) is vapor-deposited on a PEN film (thickness 125 μm, Teonex, manufactured by Teijin Ltd.) on a
本トランジスタ型酵素センサにあっては、酸化還元物質がプルシアンブルーであることにより、夾雑物存在下でもプルシアンブルーが選択的に酸化されるので好ましい。
参照電極4は銀(Ag)/塩化銀(AgCl)(BAS社製)で形成した。本トランジスタ型酵素センサにあっては、参照電極4が、プルシアンブルーより卑な標準酸化還元電位を有する銀(Ag)/塩化銀(AgCl)で形成されていることにより、外部抵抗で作用極と参照電極間を短絡させた際に自発的にプルシアンブルーの還元反応が進行するので好ましい。
In this transistor-type enzyme sensor, it is preferable that Prussian blue is selectively oxidized even in the presence of impurities when the redox material is Prussian blue.
The
ソース電極8およびドレイン電極9の構造は、ボトムゲートコンタクト構造を採用している。トランジスタ部位は、例えば以下のような工程で作製できる。
基板1にゲート電極6(Al、30nm)を形成し、その表面に反応性イオンエッチング処理によりAlOx膜を形成した。この基板1をテトラデシルホスホン酸溶液に浸漬し、ゲート絶縁膜7を形成した。次に、ソース・ドレイン電極8,9(Al、30nm)のパターンを形成した。その後、ディスペンサ装置を用いて撥液性バンク(AF1600、三井・デュポンフロロケミカル社製)を形成し、半導体溶液(pBTTT−C16、Merk KGaA)をドロップキャスト法で有機半導体層10を形成した。基板1上に、保護層11(CTL−809M、AGC旭硝子社製)をスピンコートし、トランジスタ部位を作製した。電界効果有機トランジスタは、その延長ゲート電極に作用電極2、参照電極4にAg/AgCl電極が形成された構成になる。
The structure of the
A gate electrode 6 (Al, 30 nm) was formed on the
図2に示すトランジスタ型酵素センサは、図1に示すトランジスタ型酵素センサとは作用電極2表面での反応が異なり、酵素13が作用電極2と直接反応する。酵素13は、測定溶液3に懸濁していても、作用電極2表面に固定化されていてもよい。酵素の固定化には、物理吸着法や化学結合法などを用いることができる。
The transistor-type enzyme sensor shown in FIG. 2 differs from the transistor-type enzyme sensor shown in FIG. 1 on the surface of the working
図5に示すトランジスタ型酵素センサは、トランジスタ部位のゲート電極6が作用電極2を兼ねて構成されている。トップゲート型トランジスタの構成で、図1に示すボトムゲート型トランジスタと同じ材料で工程の順序が異なる。ゲート電極6の上には保護層11が設けられず、プルシンブルー(PB)含有カーボン(C2070424P2、Gwent社製)を塗布し60℃で30分焼成することでPB電極膜を形成した。PB電極膜以外はテフロン(5wt%、AF1600、三井・デュポンフロロケミカル社製)を塗布し、60℃で30分ベークすることで絶縁膜を得た。1.4μLの10unit/μLのグルコースオキシダーゼ(和光純薬社製)を含むリン酸緩衝溶液(pH7.4)と、10μLの0.1wt%キトサン(Sigma Aldrich社製)を含む塩酸溶液(pH5.4 , 0.1wt%)を混合し、その混合溶液全量をPB電極膜表面に滴下し、30℃で1時間乾燥することで酵素修飾電極を得た。
In the transistor-type enzyme sensor shown in FIG. 5, the
トランジスタ型酵素センサにあっては、図1から図4に示す延長ゲート電極の構造とすることで、作用電極2だけが測定溶液3に接触する構造になり安定した動作ができるので好ましい。
参照電極4と作用電極2とを、例えば100KΩ、220KΩ、470KΩ、1MΩの外部抵抗で接続した。
In the transistor type enzyme sensor, the extended gate electrode structure shown in FIGS. 1 to 4 is preferable because only the working
The
次に、本発明のトランジスタ型センサを用いた検出方法を詳細に説明する。
作用電極2とAg/AgCl参照電極4をダルベッコPBS溶液(測定溶液3、Sigma Aldrich)に浸漬した。ソース電極8とドレイン電極9との間の電圧と作用電極2の電圧の制御、及びソース電極8とドレイン電極9の間電流とゲート電極6の電圧の計測は、ソースメータ(Keythley社製)を用いて行った。400rpmで撹拌された測定溶液へ1MのD−グルコース(和光純薬)を含むダルベッコPBSを添加し、終濃度を0.8mMから102.4mMまで段階的に増加させながら開回路電位を計測した。
Next, a detection method using the transistor type sensor of the present invention will be described in detail.
The working
図6は実施例1のトランジスタ型酵素センサの作用電極2で生じる電圧の時間変化である。図7は比較例として、参照電極4と作用電極2とを抵抗を介して接続させていない従来のトランジスタ型酵素センサの、作用電極2で生じる電圧の時間変化である。図6と図7について詳細に説明する。
図7に示す比較例の従来のトランジスタ型酵素センサの作用電極2の電圧は、グルコース添加後、電位は増加し続けた。これは、過酸化水素によるプルシアンブルーの酸化反応が一方向に進行したことで電位が増加し続けたことを表す。
FIG. 6 shows the time change of the voltage generated at the working
The voltage of the working
図6に示す実施例1のトランジスタ型酵素センサの作用電極2の電圧は、220kΩの抵抗で作用電極2と参照電極4とを接続していて過酸化水素添加後、電位は増加し、定常電位を得た。これは過酸化水素によるプルシアンブルーの酸化反応速度と、作用電極2によるプルシアンブルーの還元反応速度が釣り合ったことで定常電位に達したことを表す。グルコース濃度の増加と共に定常電位は増加した。その後、グルコース濃度をゼロに戻すと、定常電位も実験開始時の電位に戻った。以上よりセンサ応答の可逆性を示すことができた。
The voltage of the working
図6と図7に示す、トランジスタ型酵素センサの作用電極2で生じる電圧の時間変化から、酸化還元物質14と酵素13を含む測定溶液3に浸漬した、互いに異なる標準酸化還元電位を有する参照電極4と作用電極2とを外部抵抗5で接続することで、電子伝達メディエータの自発的な再生反応を促し可逆的な応答を示すことが確認された。
Reference electrodes having different standard oxidation-reduction potentials immersed in the
図8は本発明にかかるトランジスタ型酵素センサの第二の実施例を説明するための断面図である。 FIG. 8 is a sectional view for explaining a second embodiment of the transistor-type enzyme sensor according to the present invention.
図1から図5に示すトランジスタ型酵素センサの第一の実施例との違いは、参照電極4と作用電極2との間に接続した外部抵抗5と並列に、外部コンデンサ12を設けることにある。参照電極4と作用電極2とを、例えば0.047μF、1μFの外部コンデンサ12で接続した。
The difference from the first embodiment of the transistor-type enzyme sensor shown in FIGS. 1 to 5 is that an external capacitor 12 is provided in parallel with the
図9は、実施例2のトランジスタ型酵素センサの作用電極2で生じる電圧の時間変化を、外部コンデンサ12の有無で比較した結果である。外部抵抗5は180kΩに設定した。10mMのD−グルコースを含むダルベッコPBS(測定溶液3)に作用電極2と参照電極4を浸漬し、その時の電圧変化を計測した。図9の最初の100秒間は外部コンデンサ12を繋がず、後半100秒間で1μFの外部コンデンサ12を接続した。
参照電極4と作用電極2との間に外部コンデンサ12を設けることにより、コンデンサの直流電流は通さないが高い周波数の交流電流ほど通しやすいという基本性質を利用し、作用電極2の電圧に重畳する高周波成分のノイズが低減しているのが認められる。
FIG. 9 is a result of comparing the time change of the voltage generated at the working
By providing the external capacitor 12 between the
以上、説明したトランジスタ型酵素センサは、可撓性の基板上に形成することができるので、例えば人体の一部に貼り付けて生体反応の経時的変化を高感度にモニタリングすることができる。更には、本センサは環境モニタリングや食品管理等へも応用できる。 As described above, since the transistor-type enzyme sensor described above can be formed on a flexible substrate, for example, it can be attached to a part of a human body to monitor a change in biological reaction over time with high sensitivity. Furthermore, this sensor can be applied to environmental monitoring and food management.
1 基板
2 作用電極
3 測定溶液
4 参照電極
5 外部抵抗
6 ゲート電極
7 ゲート絶縁膜
8 ソース電極
9 ドレイン電極
10 有機半導体層
11 保護層
12 外部コンデンサ
13 酵素
14 酸化還元物質
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記測定溶液の酸化還元物質および/または酵素と反応する作用電極と、
前記参照電極と前記作用電極との間に設けられる外部抵抗と、
前記作用電極の電圧の変化を入力するゲート電極、半導体層が有機半導体層、ソース電極およびドレイン電極を有する有機トランジスタと、
から構成され、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流の変化を検出するトランジスタ型酵素センサ。 A reference electrode in contact with a measurement solution containing a redox substance and / or an enzyme;
A working electrode that reacts with the redox material and / or enzyme of the measurement solution;
An external resistor provided between the reference electrode and the working electrode;
A gate electrode for inputting a change in voltage of the working electrode, an organic transistor having a semiconductor layer having an organic semiconductor layer, a source electrode, and a drain electrode;
Consisting of
A transistor-type enzyme sensor that detects a change in current between the source electrode and the drain electrode.
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