(57)【要約】      （修正有）【課題】尿などの液体試料中の基質、特にクレアチニンの濃度とＮａイオンなどのイオン濃度の同時計測と、それらの比率を簡便に、かつ高精度に計測するイオン・バイオセンサチップ、モジュールを搭載するセンサを提供する。【解決手段】基板１から熱分離した薄膜１０に、所定の酵素４を固定した反応部６と酵素４が無い参照部７を形成し、基質と酵素の触媒反応熱検出の熱型検出バイオセンサ３０と、イオン検出のＩＳＦＥＴとを集積化させ、同一の液体試料が通る流路１７を熱型検出バイオセンサ３０とＩＳＦＥＴとで、直列または並列配置で共有させる。高選択性の酵素４の採用と接触熱反応での発熱量からクレアチニンの濃度を、Ｎａイオンを選択的に取り込むイオン感応層を持つＩＳＦＥＴからＮａイオン濃度を計測し、Ｎａイオンのクレアチニン補正ができるようにしたイオン・バイオセンサチップとそのモジュール及びこれらを用いたセンサ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体試料中の特定の基質成分とその濃度を、該基質成分に選択的に応答する酵素との触媒作用の反応熱による温度変化を温度センサで検出する熱型検出バイオセンサと、前記液体試料中の特定イオン成分とその濃度を検出するセンサであるＩＳＦＥＴとを、単一の基板に集積化したことを特徴とするイオン・バイオセンサチップ。
【請求項２】
前記熱型検出バイオセンサは、前記単一の基板から熱分離した薄膜に形成され、前記基質成分に対応する酵素を固定している反応部と該反応部と同等な形状であるが酵素を固定していない参照部を備え、該反応部と参照部には、それぞれ検出用温度センサと参照用温度センサを備えている請求項１記載のイオン・バイオセンサチップ。
【請求項３】
前記ＩＳＦＥＴとして、前記特定イオン成分に選択的に感応するイオン感応層をゲート絶縁膜上に形成しているイオン検出用ＩＳＦＥＴを備えた請求項１もしくは2のいずれかに記載のイオン・バイオセンサチップ。
【請求項４】
前記ＩＳＦＥＴとして、イオン検出用ＩＳＦＥＴと同等の構造で、該イオン検出用ＩＳＦＥＴと参照ゲート電極を共有する参照用ＩＳＦＥＴを備え、該参照用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜上には、イオン感応層を形成していない構造とした請求項３記載のイオン・バイオセンサチップ。
【請求項５】
前記熱型検出バイオセンサとして、前記基板から熱分離した薄膜に形成され、前記基質成分に対応する酵素を固定している反応部と該反応部と同等な形状であるが酵素を固定していない参照部を備え、該反応部と参照部には、それぞれ検出用温度センサと参照用温度センサを備えていること、前記熱型検出バイオセンサの反応部と参照部、及び前記ＩＳＦＥＴの前記特定のイオン検出用ＩＳＦＥＴと参照用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域は、被検出液体試料が通る流路内に形成している請求項１から４のいずれかに記載のイオン・バイオセンサチップ。
【請求項６】
少なくとも１個の流入口から流入された被検出液体試料は、一本の流路内に配置された前記熱型検出バイオセンサの反応部と参照部、更に前記イオン検出用ＩＳＦＥＴと参照用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域を経由して、少なくとも１個の流出口から流出できるようにした請求項１から５のいずれかに記載のイオン・バイオセンサチップ。
【請求項７】
少なくとも１個の流入口から流入された被検出液体試料は、分流させた流路内にそれぞれ前記熱型検出バイオセンサの反応部と参照部に配置させてあり、前記イオン検出用ＩＳＦＥＴと参照用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域は、更に分流配置した１本の流路内に配置する構造にしてあり、これらの流路を経由して、少なくとも１個の流出口から流出できるようにした請求項１から５のいずれかに記載のイオン・バイオセンサチップ。
【請求項８】
前記熱型検出バイオセンサの反応部を複数形成してあり、それぞれの反応部には異なる酵素を固定して、それぞれの酵素に対応する前記被検出液体試料中の基質成分を検出できるようにした請求項６もしくは７のいずれかに記載のイオン・バイオセンサチップ。
【請求項９】
前記イオン検出用ＩＳＦＥＴを複数形成してあり、それぞれのイオン検出用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜上には、異なるイオン成分に選択的に感応するイオン感応層を形成してあり、それぞれのイオン感応層に対応する前記被検出液体試料中のイオンを検出できるようにした請求項６もしくは７のいずれかに記載のイオン・バイオセンサチップ。
【請求項１０】
前記ＩＳＦＥＴを、熱分離していない前記基板本体に形成した請求項１から９のいずれかに記載のイオン・バイオセンサチップ。
【請求項１１】
少なくとも前記イオン検出用ＩＳＦＥＴ、参照用ＩＳＦＥＴ及び参照ゲート電極を有するISFETを備えた半導体のISFETチップを、前記流路を有する前記熱型検出バイオセンサを備えた前記基板とは別に用意してあり、前記流路の一部に開口した窓に、前記イオン検出用ＩＳＦＥＴと参照用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域と前記参照ゲート電極とが、前記被検出液体試料に触れるように、前記ISFETチップを密閉固定すると共に、前記ISFETチップのＩＳＦＥＴの各電極が前記基板上に設けてある所定の対応する電極と電気的にも接続するようにしてある請求項１から９のいずれかに記載のイオン・バイオセンサチップ。
【請求項１２】
前記酵素として、被検出液体試料中のクレアチニンを検出できるように、クレアチニナーゼを前記反応部に固定してあり、前記イオンとして被検出液体試料中のナトリウムイオンを選択的に検出できるクラウンエーテルを含むイオン感応層をイオン検出用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜上に形成してある請求項１から１１のいずれかに記載のイオン・バイオセンサチップ。
【請求項１３】
液体試料や洗浄液の流入部と排出部を有し、該流入部と排出部の間に、前記請求項１から１２のいずれかに記載のイオン・バイオセンサチップを搭載してあること、前記液体試料や洗浄液が該イオン・バイオセンサチップの流入口と流出口を経て、外部に流出させるように一体化してあること、更に、前記イオン・バイオセンサチップへの電気的接続用のコネクタを備えてあること、を特徴とするイオン・バイオセンサモジュール。
【請求項１４】
前記イオン・バイオセンサチップのうちの前記熱型検出バイオセンサの反応部に、被検出液体試料中の特定の基質成分に選択的に対応する所定の酵素を固定してあり、更に、同一の前記イオン・バイオセンサチップのイオン検出用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜上に、特定のイオン成分に選択的に感応するイオン感応層を形成してあるイオン・バイオセンサチップ、もしくは、該イオン・バイオセンサチップを備えた前記イオン・バイオセンサモジュールを搭載してあること、前記特定の基質成分と所定の酵素に接触による反応熱に基づくそれぞれの温度変化を、前記参照用温度センサと前記検出用温度センサの前記特定の基質成分の濃度に応じた差動出力で計測すること、更に同時に、被検出液体試料中の特定イオンの前記イオン検出用ＩＳＦＥＴの濃度の応じた出力を計測すること、更に予め用意してある校正データを利用して、被検出液体試料中の前記特定の基質成分の濃度に応じた差動出力と前記イオン検出用ＩＳＦＥＴの特定イオン濃度に応じた出力とを利用し、それらの比率を出力できるようにしたこと、を特徴とするイオン・バイオセンサ。
【請求項１５】
被検出液体試料中の特定の基質成分としてクレアチニン、特定イオン成分として、ナトリウムとした請求項１４記載のイオン・バイオセンサ。
【請求項１６】
少なくとも電源回路、増幅回路、演算回路および制御回路を備え、前記液体試料中の特定の基質成分の濃度と特定イオン成分の濃度、および、それらの比率に関する情報を得ることができるようにした請求項１４もしくは１５記載のイオン・バイオセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、尿などの液体試料中の特定基質成分と特定イオン成分の濃度やこれらの濃度の比率に関する情報を得るために、特定基質成分に対応する酵素を固定して発熱反応を利用する熱型検出バイオセンサと特定イオンを検出するイオノフォアであるイオン感応層を備えたＩＳＦＥＴ（イオン感応性電界トランジスタ）とを集積したイオン・バイオセンサチップとイオン・バイオセンサモジュールおよびこれらを用いたイオン・バイオセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本願発明者の一人は、尿などの液体試料としての体液等中の特定成分、例えば、グルコース（基質）などの量に関する情報を、それに対応する酵素、例えば、グルコースオキシダーゼなどを用いて触媒活性化させたときの反応熱による均一温度内での温度上昇変化として計測して取得し、評価する「酵素利用のカロリメトリックバイオセンサ」を発明した（特許文献１）。また、この特定成分(基質)とそれに選択的に反応する酵素との接触反応による発熱反応による温度上昇分の検出法であるカロリメトリック手法（熱的検出手法）では、基質とそれに対応する酵素との単純な接触熱反応を温度上昇分として検出するだけなので、同時多項目成分の検出とその数値化に適する手法であることが認められている。
【０００３】
被検出液体試料としての尿を用いた場合、基質である尿糖や尿タンパクなどの各成分の濃度を計測することが求められるが、例えば、タンパク（例えば、アルブミン）の濃度とクレアチニンの濃度との比率の評価が、腎臓病などの病気の進行状況を把握するのに適するという情報からこれらの計測の要望があり、例えば、尿内のタンパクの濃度とクレアチニンの濃度との比（比率）を直接計測できるような要望があった。これは、男女に多少の差があるが、「成人の１日のクレアチニン排泄量はほぼ１ｇ」であることから任意の体積の尿中のクレアチニンを基準にして、その中に含まれるタンパクやブドウ糖などの濃度の比率を求めること（クレアチニン補正）で、水分の摂取濃度などに依らない安定した尿中タンパクなどの評価が可能になるからである。従来の電気化学法による尿内成分の計測では、過酸化水素（H2O2）が酵素反応で発生する必要があり、尿糖などは、発生するH2O2の酸化還元電流の計測からその濃度を求めることができるが、H2O2の発生困難なタンパクの検出は極めて困難であった。
【０００４】
そこで、本願発明者の一人は、上述の酵素利用のカロリメトリック（熱的検出手法）バイオセンサにより、基質であるタンパクやクレアチニンも、それぞれに特異的な選択性を有する酵素、例えば、それぞれトリプシンやクレアチニナーゼを反応部に固定することにより、尿などの液体試料中の生体由来の微少のこれらの基質とそれに対応する酵素との接触触媒熱反応（以降、これを熱反応と言う）による温度変化分を高感度で、しかも高精度で計測できることを実証した。基質と酵素との反応過程で発生する反応熱の単純な計測から尿などの液体試料中の基質の濃度や、複数の基質の成分比率も求めるためのコンパクトで、高精度で、かつ安価な成分比較バイオセンサチップとこのチップを搭載しているバイオセンサモジュールと、更に、これらを用いた成分比較バイオセンサを提供することを提案した（特許文献２）。この熱的検出手法により、上述の尿タンパクや尿糖などのクレアチニン補正が可能になった。
【０００５】
尿や血液中などの液体試料中のナトリウム（Ｎａ）やカリウム（Ｋ）などのイオンの検出が求められるようになり、従来、イオン感応FET(ISFET)などを用いて、ナトリウム（Ｎａ）やカリウム（Ｋ）のイオノフォアを含むイオン感応層をISFETのゲート絶縁膜上に形成して、イオノフォアの極めて高いイオン選択性を利用して、これらの液体試料中のイオン濃度をISFETのソース（Ｓ）とドレイン（Ｄ）間の電流変化から計測することが報告されている（特許文献３）。しかしながら、これらのＩＳＦＥＴは、熱的検出法ではなく、上述のタンパク質である酵素を用いる熱反応を利用する基板から熱分離した薄膜に形成する酵素固定反応部との製作工程で、流路内の酵素固定や酵素の耐薬品性、温度依存性などを考慮した熱的検出法のセンシング部とを、同一基板に形成することが、大きな課題になっていた。
【０００６】
最近、塩分の摂取量と高血圧との関係から減塩を勧める運動が盛んになってきている。その中でも尿中のクレアチニンに対するナトリウム（Ｎａ）の割合を求めること（尿中Ｎａのクレアチニン補正）により、一滴の尿を用いて、Ｎａイオン、すなわち、食塩の摂取濃度が評価できるので、生体由来物質であるクレアチニンの尿中濃度の計測と尿中のＮａイオンの同時計測が望まれるようになった。これらのクレアチニンとＮａイオンの濃度を個別で独立なセンサを用いて計測するのではなく、コンパクトなセンサを用いた同時計測のためには、同一基板に上述のようなクレアチニン検出用の熱型センサとＮａイオン計測用のＩＳＦＥＴとを集積化する方が好適である。しかしながら、上述のように、酵素であるクレアチニナーゼを用いたクレアチニンの熱的検出法のために、基板から熱分離した薄膜、流路やタンパク質である酵素の流路中の反応部への固定のための製作工程と、基板へのイオン検出用のイオノフォアを含むイオン感応膜層を備えたＩＳＦＥＴの製作工程には、大きなハードルがあり、その製作工程には特別な工夫が必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特願２０１６−９７１５１
【特許文献２】特願2016-255431
【特許文献３】特表２００９−５３２６６９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来の上述の製作工程を含む問題点を解消しようとするもので、同一の基板に、尿などの液体試料中のクレアチニンなどの生体由来物質である特定の基質の濃度を計測するための基板から熱分離した薄膜上に反応部を形成し、酵素を固定して、基質との接触熱反応による温度上昇を計測する熱検出手法のバイオセンサ（熱検出バイオセンサと呼ぶ）と、基板に直に、同一の尿などの液体試料中のナナトリウム（Ｎａ）などの特定イオンの濃度を計測するためのその特定イオンのイオノフォアを含むイオン感応層をゲート絶縁膜上に備えたＩＳＦＥＴを形成集積化する技術、更に、尿などの被検出液体試料が通る流路の形成と流路内への酵素の固定やイオン感応層をゲート絶縁膜上に備えたＩＳＦＥＴを形成する技術、更には、熱検出手法のバイオセンサの反応部に対する参照部の形成と、イオン検出用ＩＳＦＥＴに対する参照用ＩＳＦＥＴの製造技術の確立の下に、熱検出手法のバイオセンサとイオン検出用ＩＳＦＥＴなどを同一の基板であるセンサチップに集積化したイオン・バイオセンサチップと、このイオン・バイオセンサチップを備えたイオン・バイオセンサモジュールおよびこれらを用いたイオン・バイオセンサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わるイオン・バイオセンサチップは、液体試料中の特定の基質成分とその濃度を、該基質成分に選択的に応答する酵素との触媒作用の反応熱による温度変化を温度センサで検出する熱型検出バイオセンサと、前記液体試料中の特定イオン成分とその濃度を検出するセンサであるＩＳＦＥＴとを、単一の基板に集積化したことを特徴とするものである。
【００１０】
イオン・バイオセンサチップは、熱型検出バイオセンサを備えたバイオセンサチップと特定イオン成分を検出するＩＳＦＥＴとを、別々のセンサチップに個別に形成して、これらを並べて、同一の尿などなどの液体試料に晒して、特定基質成分とその酵素熱反応による温度上昇から特定基質成分の同定とその濃度の計測、および、別のイオンセンサチップのＩＳＦＥＴから特定イオン成分とその濃度を計測して、これらの比較もできるようにしても良いが、本発明のイオン・バイオセンサチップは、これらの熱型検出バイオセンサとＩＳＦＥＴとを、集積化で一体化して単一の基板に備えた場合である。
【００１１】
本発明のイオン・バイオセンサチップは、シリコン（Ｓｉ）単結晶のＳＯＩ基板を用いて、そのＳＯＩ層を利用して公知のMEMS技術で作成される熱型検出バイオセンサを微小寸法、例えば、長さ１ｍｍ、幅０．２ｍｍ、厚み０．０１ｍｍ程度の架橋構造状で構成した方が、特に、熱型検出用の酵素固定反応部の形成やＩＳＦＥＴの形成にも好都合であり、更に、その周辺回路となる集積回路を同一基板に形成できることや、高感度で高精度の検出用温度センサ、参照用温度センサなどを熱電対で作成し、ＳＯＩ層もこの熱電対の熱伝導帯に１つとして利用すると、高感度な半導体薄膜熱電対が構成できるなど、好都合であることが多い。
【００１２】
本発明の請求項２に係わるイオン・バイオセンサチップは、前記熱型検出バイオセンサは、前記単一の基板から熱分離した薄膜に形成され、前記基質成分に対応する酵素を固定している反応部と該反応部と同等な形状であるが酵素を固定していない参照部を備え、該反応部と参照部には、それぞれ検出用温度センサと参照用温度センサを備えている場合である。
【００１３】
本発明のイオン・バイオセンサチップは、上述のように、ＩＳＦＥＴを備えるので、シリコン（Ｓｉ）などの半導体基板を用いた方が良い。この基板から熱分離した薄膜に、流路、反応部、温度センサを形成し、反応部には酵素を固定しておく。また、例えば、ＳＯＩ基板（Ｓｉ基板）上に、流路、流路内の反応部や参照部、更に、反応部には、検出用温度センサ、参照部には、参照用温度センサを形成し、基板の裏面からの空洞形成により薄膜とその上の流路が架橋構造やダイアフラム構造などの宙に浮いた熱容濃度と熱伝導とが小さい構造の熱型検出バイオセンサにし、更に、シリコン（Ｓｉ）の基板の空洞を有しない基板本体に直接形成するか、または、別に設けたＳｉチップに、特定イオンの検出用のＩＳＦＥＴを半導体微細構造のフォトリソグラフィ技術で製作して、一体化と集積化することで、本イオン・バイオセンサチップが提供される。
【００１４】
反応部には、特定基質に特異的に反応する、所謂、高い選択性を有する酵素を固定しておく。例えば、基質としてのクレアチニンに対しては、この特定基質に選択的かつ特異的に反応する酵素であるクレアチニナーゼの固定が良い。もちろん、基質として、クレアチニンばかりでなく、タンパクや糖でも良く、更に、単一の基質ばかりでなく、複数の基質を同時に計測できるように、複数の反応部を設けて、それらのそれぞれに対応する酵素であるトリプシンやグルコースオキシダーゼなどを固定しておくこともできる。そのような場合には、１本の流路が架橋構造状の複数の薄膜を経由するように形成し、第１の検出用温度センサを備えた第１の反応部の領域、更に第２の検出用温度センサを備えた第２の反応部の領域を通るという構造、すなわち、基板の手前から薄膜の架橋構造上の流路を構成する空洞を跨いで対向する位置の基板まで到達し、さらに隣の架橋構造状の薄膜に形成してある流路を通って手前に戻り、更に、隣の架橋構造状の薄膜に形成してある流路を通って対向する位置の基板に戻るというような構造で、ジグザグに複数の架橋構造の薄膜を備えた基板に形成した１本の流路内を、特定基質成分を含む尿などの被検出液体試料が通るようにすることもできる。
【００１５】
例えば、2つの特定基質成分が、液体試料としての尿中の基質であるタンパクとクレアチニンであった場合、酵素として、それぞれに選択的に対応する酵素であるトリプシンとクレアチニナーゼを用いると良い。そして、流路を通して導入された液体試料中の基質であるタンパクとクレアチニンと、それらに対応するそれぞれの酵素のトリプシン（例えば、第１の反応部に固定）とクレアチニナーゼ（例えば、第２の反応部に固定）との接触触媒熱反応で温度上昇させて、それらの温度上昇を反応部内（又は近傍）に形成してある第１の検出用温度センサと第２の検出用温度センサにより参照用温度センサを基準にして検出して、その時間経過を含む信号の大きさから基質であるタンパクとクレアチニンのそれぞれの濃度とそれらの濃度比率、例えば、タンパク/クレアチニン比も、それらの差動増幅信号を利用して演算して求めることができる。もちろん、これらのそれぞれの熱型検出バイオセンサ出力と同一基板に形成してある特定イオン、例えば、Ｎａイオンの検出用ＩＳＦＥＴからの濃度に対応する出力をも同時検出して、尿などの被検出液体試料中のＮａイオンやタンパクの濃度と、クレアチニンの濃度との比率、例えば、Ｎａイオン/クレアチニン（濃度）比、タンパク/クレアチニン（濃度）比である、所謂、Ｎａイオンやタンパクのクレアチニン補正を求めることもできる。
【００１６】
本発明の請求項３に係わるイオン・バイオセンサチップは、前記ＩＳＦＥＴとして、前記特定イオン成分に選択的に感応するイオン感応層をゲート絶縁膜上に形成しているイオン検出用ＩＳＦＥＴを備えた場合である。
【００１７】
ナトリウム（Ｎａ）イオンやカリウム（Ｋ）イオンを選択的に吸着するイオノフォアとして、ビスクラウンエーテル類がアルカリイオンに対してクラウン環の空洞寸法から強い親和性があり好適であり、それぞれ、例えば、  Ｎａイオンに対して、ビス（１２ークラウンー４）、また、Ｋイオンに対して、15−クラウン−5−エーテルやジベンゾ-18-クラウン-6(DB18C6)が、一般に用いられている。また、カリウムに対しては、バリノマイシンがＮａに対する選択性の良さで知られている。液体試料として尿の場合、ナトリウム（Ｎａ）の濃度が、カリウム（Ｋ）イオンに対して、その濃度が圧倒的に多いので、ナトリウム（Ｎａ）の濃度の検出の方が計測しやすい。イオン感応層として、例えば、上述のＮａイオンまたはＫイオンに選択性のあるイオノフォアを含む可塑化ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）膜や可塑剤分散フォトレジスト膜をゲート絶縁膜上に形成したイオン検出用ＩＳＦＥＴを用い、尿などの被検出液体試料にこのイオン感応層と参照ゲート電極を接触させて、イオン検出用ＩＳＦＥＴの所定の参照ゲート電極・ソースＳ間の参照ゲート電圧Ｖｒｇと、ソースＳ・ドレインＤ間電圧Ｖｓｄの下でのソースＳ・ドレインＤ間の、例えば、ｎチャンネルの電導度（または、チャンネル抵抗）に対する被検出液体試料中のＮａイオンやＫイオン濃度依存性に基づくドレイン電流Ｉｄの変化から予め用意してある校正データを利用して被検出液体試料中のＮａイオンやＫイオン濃度を求めるものである。
【００１８】
本発明の請求項４に係わるイオン・バイオセンサチップは、前記ＩＳＦＥＴとして、イオン検出用ＩＳＦＥＴと同等の構造で、該イオン検出用ＩＳＦＥＴと参照ゲート電極を共有する参照用ＩＳＦＥＴを備え、該参照用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜上には、イオン感応層を形成していない構造とした場合である。
【００１９】
ＮａイオンやＫイオンを検出するのに、ＩＳＦＥＴを１個だけ用い、これをＮａイオンまたはＫイオンに選択性のあるイオノフォアを含むイオン感応層を備えたイオン検出用ＩＳＦＥＴとしても良いが、本発明では、参照ゲート電極での被検出液体試料に対する電位や液中電圧降下があり、この補正が困難であることが多い。このために、本発明では、イオン検出用ＩＳＦＥＴの他に、イオン感応層を形成していない参照用ＩＳＦＥＴをも設けて、少なくとも１個の共有する参照ゲート電極を配置した場合で、これらのイオン検出用ＩＳＦＥＴと参照用ＩＳＦＥＴとの出力の差動増幅動作により、上記の参照ゲート電極での電位や電圧降下成分を消去するようにした場合である。前記参照ゲート電極は、同一基板上で、イオン検出用ＩＳＦＥＴと参照用ＩＳＦＥＴとの中間付近の位置に、被検出液体試料に対して耐性があり、安定な金属などの導電性材料で、例えば、薄膜状に形成することができる。
【００２０】
本発明の請求項５に係わるイオン・バイオセンサチップは、前記熱型検出バイオセンサとして、前記基板から熱分離した薄膜に形成され、前記基質成分に対応する酵素を固定している反応部と該反応部と同等な形状であるが酵素を固定していない参照部を備え、該反応部と参照部には、それぞれ検出用温度センサと参照用温度センサを備えていること、前記熱型検出バイオセンサの反応部と参照部、及び前記ＩＳＦＥＴの前記特定のイオン検出用ＩＳＦＥＴと参照用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域は、被検出液体試料が通る流路内に形成している場合である。
【００２１】
熱型検出バイオセンサの反応部と参照部、前記イオン検出用ＩＳＦＥＴと参照用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域は、被検出液体試料の流路を形成せずに、被検出液体試料に直接触れるようにしても良いが、熱型検出バイオセンサは、酵素の基質との接触発熱反応の熱が、流路がないと被検出液体試料に逃げてしまい、感度が下がってしまうので、本発明では流路内に収容した場合である。流路の他の効果として、被検出液体試料の濃度も１滴の少量で済み、被検出液体試料内の濃度分布が少なく高精度になり、更に、酵素の基質との接触発熱反応は、液体試料の流速依存性を有するので、流速を制御できるという利点もある。
【００２２】
本発明の請求項６に係わるイオン・バイオセンサチップは、少なくとも１個の流入口から流入された被検出液体試料は、一本の流路内に配置された前記熱型検出バイオセンサの反応部と参照部、更に前記イオン検出用ＩＳＦＥＴと参照用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域を経由して、少なくとも１個の流出口から流出できるようにした場合である。
【００２３】
本発明の請求項７に係わるイオン・バイオセンサチップは、少なくとも１個の流入口から流入された被検出液体試料は、分流させた流路内にそれぞれ前記熱型検出バイオセンサの反応部と参照部に配置させてあり、前記イオン検出用ＩＳＦＥＴと参照用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域は、更に分流配置した１本の流路内に配置する構造にしてあり、これらの流路を経由して、少なくとも１個の流出口から流出できるようにした場合である。
【００２４】
イオン検出用ＩＳＦＥＴと参照用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域を、尿などの被検出液体試料に晒した場合、上記したように共有する参照ゲート電極を使用するので、この参照ゲート電極は、被検出イオン（例えば、Ｎａイオン）の濃度分布が一定である被検出液体試料で、イオン検出用ＩＳＦＥＴと参照用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域に近接配置した方が良い。したがって、本発明では、１本の流路内にイオン検出用ＩＳＦＥＴと参照用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域および参照ゲート電極を近接して配置する構造にしている。
【００２５】
本発明の請求項8に係わるイオン・バイオセンサチップは、前記熱型検出バイオセンサの反応部を複数形成してあり、それぞれの反応部には異なる酵素を固定して、それぞれの酵素に対応する前記被検出液体試料中の基質成分を検出できるようにした場合である。
【００２６】
熱型検出バイオセンサは、一般に基板から熱分離した薄膜に形成した流路内の反応部に所定の酵素を固定するが、１種類の酵素では、特異的に選択性のある特定の１種類の基質、例えば、クレアチニンを酵素接触熱反応による温度上昇の計測で計測するが、本発明では、例えば、クレアチニンの他に、基質として、タンパクや糖なども同時に計測して、これらのクレアチニン補正ができるようにした場合である。もちろん、イオン検出用ＩＳＦＥＴも同一基板に形成しているので、特定のイオンであるＮａイオンなども同時計測もできて、イオンのクレアチニン補正もできるようにしたイオン・バイオセンサチップを提供するものである。
【００２７】
本発明の請求項９に係わるイオン・バイオセンサチップは、前記イオン検出用ＩＳＦＥＴを複数形成してあり、それぞれのイオン検出用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜上には、異なるイオン成分に選択的に感応するイオン感応層を形成してあり、それぞれのイオン感応層に対応する前記被検出液体試料中のイオンを検出できるようにした場合である。
【００２８】
イオン検出用ＩＳＦＥＴとして、ＮａイオンとＫイオンなど、同時に２種類以上のイオンを検出できるように同一基板に、異なるイオノフォアを備えたイオン検出用ＩＳＦＥＴを形成してある場合であり、同一の流路や分流した流路内にそれぞれのイオン検出用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域を配置するようにした場合である。同一の１本の流路内に複数のイオン検出用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域を配置する場合は、１個の参照用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域をその流路内に設けても良いが、分流した流路内にそれぞれのイオン検出用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域を配置する場合は、参照ゲート電極での電位や電圧降下を精度よく消去するために、それぞれに近接して、参照用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域を少なくとも１個ずつ配置するようにした方が良い。もちろん、同一基板には、各種イオン濃度のクレアチニン補正ができるように、少なくともクレアチニン濃度を検出する熱型検出バイオセンサを設けると良い。
【００２９】
一般のイオン検出用ＩＳＦＥＴにおいて、ゲート絶縁膜の領域に形成したイオノフォアを含むイオン感応膜に感応する尿などの液体試料中のイオンの濃度に応じて、ソースＳ・ドレインＤ間のチャンネル（例えば、ｎチャンネル）の幅が変わり、そのチャンネルの抵抗が変化して、結局、ソースＳ・ドレインＤ間を流れるソースＳ・ドレインＤ間を流れるドレイン電流Ｉｄが変化して出力されるが、ドレインＤは、半導体基板（例えば、導電型がｐ型）に対して、逆方向バイアスが印加されるので、ソースＳ・ドレインＤ間のｎチャンネルのドレインＤ端においては、上記のドレインＤの逆バイアスによる張り出した空乏層のために、ｎチャンネルのドレインＤ端も空乏化して、この空乏化の抵抗が非常に大きく、ソースＳ・ドレインＤ間のドレイン電流Ｉｄの制限抵抗になる。従って、液体試料中のイオンの濃度に対して出力となるドレイン電流Ｉｄの感度が低下してしまうという問題がある。そこで、ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜上で、ｎチャンネルのドレインＤ端に近接して、トランスファーゲートＴｇを設けて、ここにトランスファーゲート電圧Ｖｔｇを印加して、ｎチャンネルのドレインＤ端も空乏化を阻止するようにするようなＩＳＦＥＴを採用することもできる。この場合、イオン検出用ＩＳＦＥＴばかりでなく、参照用ＩＳＦＥＴにも同様にトランスファーゲートＴｇを設けて、これらのトランスファーゲートＴｇを有するイオン検出用ＩＳＦＥＴと参照用ＩＳＦＥＴで、差動増幅してトランスファーゲートＴｇによる上述のドレイン電流Ｉｄの制限抵抗を消滅させて、イオン濃度に対する有効なｎチャンネルの抵抗変化にさせることにより、イオン濃度計測の高感度化が達成される。
【００３０】
本発明の請求項１０に係わるイオン・バイオセンサチップは、前記ＩＳＦＥＴを、熱分離していない前記基板本体に形成した場合である。
【００３１】
ＩＳＦＥＴを、熱型検出バイオセンサを形成している前記基板本体に形成するには、前記熱型検出バイオセンサの反応部に固定する酵素が熱や薬品に極めて弱いこと、前記反応部は、基板から熱分離した宙に浮いている架橋構造の機械的に弱い薄膜に形成していること、更に、前記イオン検出用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜上には、イオノフォアを含む熱に弱く、厚みの制御が必要なイオン感応層が製膜されていること等の問題に対する製作順序や工夫による製作工程が求められる。これらの問題を克服して初めて、ＩＳＦＥＴを、熱型検出バイオセンサと共に、前記基板本体に形成することができる。
【００３２】
本発明の請求項１１に係わるイオン・バイオセンサチップは、少なくとも前記イオン検出用ＩＳＦＥＴ、参照用ＩＳＦＥＴ及び参照ゲート電極を備えた半導体のISFETチップを、前記流路を有する前記熱型検出バイオセンサを備えた前記基板とは別に用意してあり、前記流路の一部に開口した窓に、前記イオン検出用ＩＳＦＥＴと参照用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域と前記参照ゲート電極とが、前記被検出液体試料に触れるように、前記ISFETチップを密閉固定すると共に、前記ISFETチップのＩＳＦＥＴの各電極が前記基板上に設けてある所定の対応する電極と電気的にも接続するようにしてある場合である。
【００３３】
ＩＳＦＥＴを半導体のISFETチップに形成しておき、これを、前記熱型検出バイオセンサを備えた前記基板と一体化して集積化した場合であり、製造工程が異なるセンサである熱型検出バイオセンサとＩＳＦＥＴとを、それぞれの特徴のある製造工程で製作できるので、製品としての歩留まりの向上に繋がる。しかし、ＩＳＦＥＴチップと熱型検出バイオセンサを備えた前記基板と一体化するためには、各部の電極同士の電気的な接続が必要であり、基板上に形成されている流路などの凹凸を克服しながら、ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の領域を流路内を流れる被検出液体試料に触れると共に、液漏れがないように、位置合わせ固定をする必要があり、その製造工程での対策と工夫が必要である。
【００３４】
本発明の請求項１２に係わるイオン・バイオセンサチップは、前記酵素として、被検出液体試料中のクレアチニンを検出できるように、クレアチニナーゼを前記反応部に固定してあり、前記イオンとして被検出液体試料中のナトリウムイオンを選択的に検出できるクラウンエーテルを含むイオン感応層をイオン検出用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜上に形成してある場合である。
【００３５】
例えば、尿中のナトリウム（Ｎａ）イオン濃度のクレアチニン補正のためのナトリウム/クレアチニンの濃度比は、高血圧との因果関係があることが医学的にも知られており、本イオン・バイオセンサチップの提供により、食事療法や健康管理に大きな貢献が期待できる。ナトリウム（Ｎａ）イオン濃度検出には、イオノフォアであるクラウンエーテルの中で、ニュートラルキャリアとしてのBis(12-crown-4)が好適である。イオン感応層には、上述のように、Bis(12-crown-4)を含む可塑化ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）膜や可塑剤分散フォトレジスト膜をゲート絶縁膜上に形成したイオン検出用ＩＳＦＥＴを用いると良い。
【００３６】
本発明の請求項１３に係わるイオン・バイオセンサモジュールは、液体試料や洗浄液の流入部と排出部を有し、該流入部と排出部の間に、前記請求項１から１０のいずれかに記載のイオン・バイオセンサチップを搭載してあること、前記液体試料や洗浄液が該イオン・バイオセンサチップの流入口と流出口を経て、外部に流出させるように一体化してあること、更に、前記イオン・バイオセンサチップへの電気的接続用のコネクタを備えてあること、を特徴とするものである。
【００３７】
本発明のイオン・バイオセンサチップを搭載したハンディなイオン・バイオセンサにおいて、その中の熱型検出バイオセンサに固定している酵素の失活などでイオン・バイオセンサチップを交換する必要が出てくる。イオン・バイオセンサチップは、極めて微細なパターン形状を含み、宙に浮いた薄膜であり、基板から熱分離した流路を有する架橋構造を持つ破壊されやすい構造を有している。そのために、イオン・バイオセンサチップ単体で取り扱うのではなく、イオン・バイオセンサチップには、直接触れないでイオン・バイオセンサチップを交換することが望ましい。本発明は、イオン・バイオセンサを使用する一般の人が、容易にイオン・バイオセンサチップを交換することができるように、液体試料や洗浄液の流入部と排出部を有し、かつ、イオン・バイオセンサチップへの電気的接続用のコネクタを備えてあるバイオセンサモジュールとして、モジュール化するもので、このバイオセンサモジュール単位で、イオン・バイオセンサに、カセットのように装着することでイオン・バイオセンサチップが交換できるようにしたものである。
【００３８】
本発明の請求項１４に係わるイオン・バイオセンサは、前記イオン・バイオセンサチップのうちの前記熱型検出バイオセンサの反応部に、被検出液体試料中の特定の基質成分に選択的に対応する所定の酵素を固定してあり、更に、同一の前記イオン・バイオセンサチップのイオン検出用ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜上に、特定のイオン成分に選択的に感応するイオン感応層を形成してあるイオン・バイオセンサチップ、もしくは、該イオン・バイオセンサチップを備えた前記イオン・バイオセンサモジュールを搭載してあること、前記特定の基質成分と所定の酵素に接触による反応熱に基づくそれぞれの温度変化を、前記参照用温度センサと前記検出用温度センサの前記特定の基質成分の濃度に応じた差動出力で計測すること、更に同時に、被検出液体試料中の特定イオンの前記イオン検出用ＩＳＦＥＴの濃度の応じた出力を計測すること、更に予め用意してある校正データを利用して、被検出液体試料中の前記特定の基質成分の濃度に応じた差動出力と前記イオン検出用ＩＳＦＥＴの特定イオン濃度に応じた出力とを利用し、それらの比率を出力できるようにしたこと、を特徴とするものである。
【００３９】
本発明の請求項１５に係わるイオン・バイオセンサは、被検出液体試料中の特定の基質成分としてクレアチニン、特定イオン成分として、ナトリウムとした場合である。
【００４０】
特定のイオン成分として、Ｎａイオンとし、これに選択的に感応するイオン感応層として、例えば、上述のイオノフォアであるBis(12-crown-4)と可塑剤を含むポリ塩化ビニルやフォトレジストにすることができる。前記被検出液体試料として、例えば、尿を用いると、尿中のＮａイオン/クレアチニン  濃度比（Ｎａイオンのクレアチニン補正）が求まり、一日の畜尿などが不要で、一滴の尿の採取で、Ｎａイオンのクレアチニン補正が可能であるので、腎臓病や高血圧症などに対する健康管理上の減塩の目安になる。もちろん、イオン・バイオセンサチップにクレアチニン以外の複数の基質成分を計測するための複数の反応部を搭載し、更に、Ｎａイオン以外のＫイオンなどの複数のイオンを計測するためのイオン感応層を備えた複数のイオン検出用ＩＳＦＥＴを搭載することにより、それぞれの尿中の基質やイオンのクレアチニン補正も可能になる。
【００４１】
本発明の請求項１６に係わるイオン・バイオセンサは、少なくとも電源回路、増幅回路、演算回路および制御回路を備え、前記液体試料中の特定の基質成分の濃度と特定イオン成分の濃度、および、それらの比率に関する情報を得ることができるようにした場合である。
【００４２】
イオン・バイオセンサの前記イオン・バイオセンサチップは、Ｓｉ単結晶であるＳＯＩ基板を用いて製作すると、ＭＥＭＳ技術が適用されやすく好適である。そして、このＳＯＩ基板から成るセンサチップに集積回路技術で電源回路、増幅回路、演算回路および制御回路も集積化できるし、これらを別の半導体基板等に集積化して、モジュール化することもできる。このようにすることにより、極めてコンパクトな、例えば、ハンディタイプのイオン・バイオセンサを提供することができる。もちろん、これらの回路をイオン・バイオセンサチップとは別に、コンパクトなプリント基板上に形成して置き、イオン・バイオセンサチップと近接配置して、電気的に接続して使用することもできる。
【００４３】
本発明の前記イオン・バイオセンサチップの熱型検出バイオセンサの反応部に、最適な温度環境下もしくは、熱反応が観測されやすい温度環境下での接触触媒熱反応になるように、ジュール加熱ヒータを設置して、反応部の温度を酵素に最適な温度にすることもできると共に、酵素との熱反応における反応熱の校正用にも使用出来るようにしたイオン・バイオセンサを提供することもできる。特に、酵素の活性が時間や環境により低下することが多く、この反応部に形成してあるヒータにより、酵素の活性度のチェックや校正にも役立てるようにしている。上述のように、例えば、所定の電力である１０μW（マイクロワット）をヒータに加えることによる温度上昇分を事前に計測しておき、標準液体試料を流すことによる酵素熱反応による特定の酵素の反応熱の温度上昇分を時々計測すれば、その経時変化により、酵素活性の度合いをチェックできると共に、これを基にして、液体試料中の特定の基質成分の濃度もしくはクレアチニン補正やその校正をも可能になる。
【００４４】
本発明のイオン・バイオセンサを、例えば、熱型検出バイオセンサで特定基質成分としての尿タンパクや尿糖とクレアチニン、更にイオン検出用ＩＳＦＥＴで、特定イオンとしてＮａイオンなどの計測に用いた場合、これらの尿タンパクや尿糖の濃度のクレアチニン補正やＮａイオン濃度のクレアチニン補正が可能であり、ある個人のイオン・バイオセンサからの特定基質成分やイオンの濃度、更には、これらのクレアチニン補正を含む比率に関する情報は、その時ばかりでなく、日常での日ごとの変化やその傾向を知ることが大事である。その計測時の数値ばかりでなく、過去のデータを蓄積しておき、経日変化をグラフ化したり、予測したりすることも大切であり、また、医療機関への連絡なども必要な場合もあり、情報を無線もしくは有線にて、外部にあるコンピュータに送信できるようにして、各種の処理ができるようにした方が好都合である。
【発明の効果】
【００４５】
本発明のイオン・バイオセンサチップでは、液体試料中の特定の基質成分とそれに特異的選択性の酵素との反応熱で検出する熱型検出バイオセンサと、液体試料中の特定イオン成分を検出するセンサであるＩＳＦＥＴとの異なる原理に基づく二種類のセンサを、製造工程を工夫することにより、同一基板に備えることができ、一滴の尿などの液体試料中の特定物質である特定の基質と特定のイオン濃度を同時に計測できるという利点がある。
【００４６】
本発明のイオン・バイオセンサチップでは、熱型検出バイオセンサとしてクレアチニンの計測用、ＩＳＦＥＴとしてNaイオン計測用とすることにより、Naイオン/クレアチニン濃度比（クレアチニン補正）が容易に得られ、塩分摂取量の簡易計測が可能となるという利点がある。
【００４７】
本発明のイオン・バイオセンサチップでは、熱型検出バイオセンサに、クレアチニン、タンパクや糖などの複数の基質が計測できるように、それぞれに選択的に反応する酵素をそれぞれの反応部に固定しておき、更に、ＩＳＦＥＴとして、Naイオン、Kイオンなどの複数のイオンの検出ができるそれぞれのイオノフォアを含むイオン感応層を備えることにより、それぞれの基質濃度やイオン濃度のクレアチニン補正や相互間の比率も求めることができるという利点がある。
【００４８】
本発明のイオン・バイオセンサチップでは、参照ゲート電極として塩化銀などの標準電極を用いれば、参照用ＩＳＦＥＴを備えず、イオン検出用ＩＳＦＥＴだけども良いが、被検出液体試料に対して安定な電極であれば、これを参照ゲート電極として流路に備えて、イオン感応層を形成していない構造の参照用ＩＳＦＥＴを備えることで、イオン検出用ＩＳＦＥＴと参照用ＩＳＦＥＴとの差動動作により参照ゲート電極の効果を打ち消して、簡単な構造で被検出液体試料中の所定のイオン濃度を計測することができる。
【００４９】
本発明のイオン・バイオセンサチップでは、熱型検出バイオセンサにおける酵素の基質との接触発熱反応の熱が、流路がないと被検出液体試料に逃げてしまい、感度が下がってしまうこと、また、流路を外気に晒し、断熱材で囲む構造密閉構造にし、更に液体試料の蒸発を防ぎ、上発熱も無くせるので、微細な温度変化を安定に計測することができるという利点がある。
【００５０】
本発明のイオン・バイオセンサチップでは、尿などの被検出液体試料が通る流路を基板に形成しているので、ＩＳＦＥＴにおいても、流路中にそのイオンセンシング部があるとイオンの濃度のバラツキが少なくなり高精度のイオン濃度計測が可能になるという利点がある。
【００５１】
本発明のイオン・バイオセンサチップでは、１個の流入口から流入された被検出液体試料は、1本もしくは分流した流路を経由して熱型検出バイオセンサやＩＳＦＥＴを通り、１個の流出口から流出するようにしているので、少量の被検出液体試料で済み、洗浄も単純になり、ハンディなイオン・バイオセンサには好適である。
【００５２】
本発明のイオン・バイオセンサでは、上述のイオン・バイオセンサチップに直接手を触れずにイオン・バイオセンサチップを交換ができるように、モジュール化しているので、酵素が失活した場合など、ワンタッチでモジュールの交換できるという利点がある。
【００５３】
本発明のイオン・バイオセンサでは、イオン・バイオセンサチップを、Si結晶などの半導体基板に形成すると、従来のMEMS技術が使用できると共に、集積回路技術で電源回路、増幅回路、演算回路および制御回路も集積化できるので、極めてコンパクトな、例えば、ハンディタイプのイオン・バイオセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明のイオン・バイオセンサチップ１００の一実施例の平面概略図を示す。（実施例１）
【図２】図１のＸ―Ｘ線に沿った断面概略図である。（実施例１）
【図３】本発明のイオン・バイオセンサチップ１００におけるイオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａの一実施例の横断面拡大概略図である。（実施例１）
【図４】本発明のイオン・バイオセンサチップ１００のうちのイオンを検出するためのISFET９０の領域だけを拡大した平面概略図である。（実施例１）
【図５】本発明のイオン・バイオセンサチップ１００におけるイオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａの他の一実施例の横断面拡大概略図である。（実施例１）
【図６】本発明のイオン・バイオセンサチップ１００の他の一実施例の平面概略図である。（実施例２）
【図７】本発明のイオン・バイオセンサチップ１００の他の一実施例の平面概略図である。（実施例３）
【図８】本発明のイオン・バイオセンサチップ１００の他の一実施例の平面概略図である。（実施例４）
【図９】本発明のイオン・バイオセンサチップ１００の他の一実施例の横断面概略図である。（実施例５）
【図１０】本発明のイオン・バイオセンサチップ１００の他の一実施例で、図9に示しているISFETチップ１０１とそこに形成したISFET９０の様子を示す平面概略図である．（実施例５）
【図１１】本発明のイオン・バイオセンサモジュール５００の一実施例の断面概略図を示す。（実施例６）
【図１２】本発明のイオン・バイオセンサ１０００の一実施例の概略図を示す。（実施例７）
【図１３】発明のイオン・バイオセンサ１０００を駆動する場合の構成概略図の一実施例のブロック図を示す。（実施例８）
【発明を実施するための形態】
【００５５】
本発明のイオン・バイオセンサチップは、MEMS技術を用いて、シリコン（Si）基板で形成できる。このシリコン（Si）基板、特にSOI基板を用いて製作した場合のいくつかの実施例を主体に説明し、また、本発明のイオン・バイオセンサチップを備えたモジュール化したイオン・バイオセンサモジュールの一実施例、更に、本発明のイオン・バイオセンサチップとこれを備えたモジュールを用いた本発明のイオン・バイオセンサの実施の形態を、図面を用いて説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【実施例１】
【００５６】
図１は、本発明のイオン・バイオセンサチップ１００の一実施例の平面概略図で、導電型がｐ型のSOI層１１（例えば、厚みが１０μｍ程度）を有する基板１を用いて、その基板1の本体部分に、ゲート長が４０μｍ程度のイオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａと参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒ及び参照ゲート電極９７を有するISFET９０を形成してあり、更に熱型検出バイオセンサとして、空洞４０を介して基板１から熱分離しているSOI層１１の薄膜１０上に、特定の酵素４を固定している反応部６と、この反応部６と同等な形状の酵素を固定していない参照部７を形成してあり、１本の流路内にこれらのISFET９０と熱型検出バイオセンサのセンシング部分が露出するようにした場合の一実施例である。また、図２は、図１のＸ―Ｘ線に沿った断面概略図である。また、図3は、イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａの横断面拡大概略図である。また、図４は、本実施例１の図1に示すイオン・バイオセンサチップ１００のうちのイオンを検出するためのISFET９０の領域だけを拡大した平面図である。また、上述したように、イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａと参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒとの共通の参照ゲート電極９７を近接させて設けて、同一の被検出液体試料に晒すことにより、参照ゲート電極９７での電位や電圧降下を打ち消すことができるので、塩化銀などの標準電極を使用する必要はなくなる。なお、配線400は、線として簡単に表示している。また、熱電対は温度差センサであるので、基板の絶対温度を知るために、ｐｎダイオードの絶対温度センサ２３を基板1に設けている場合でもある。
【００５７】
図５は、図３に示すイオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａの構造を多少変形した他の一実施例の横断面拡大概略図である。図５では、ドレインD９２の近傍のゲート絶縁膜９３上に、トランスファゲート電極１９４を設けた場合である。図３に示すイオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａの構造では、参照ゲート電極９７に、所定の参照ゲート電圧Vrｇの下では、ソースS・ドレインD間のドレイン電圧Vsd  の大きさを大にするにつれて、ドレインD９２の近傍の空乏層が増大して、チャンネル９４のドレインD９２の近傍にも広がり、ドレイン電流Idを飽和させてしまう。このために、イオン感応層９５中のイオン、例えば、Naイオン濃度に対して、イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａの感度が鈍るようになってしまうという問題があった。図５に示すように、トランスファゲート電極１９４を設けて、ここに、ソースS９１に対して正の所定の電圧Vｔｇを印加することにより、ドレインD９２の近傍の空乏層を打ち消して、深く幅の広いｎ型の反転チャンネル９４を形成することができるので、イオン感応層９５中のイオン濃度に敏感で飽和しないドレイン電流Idを得ることができ、高感度化することができる。参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒも設けてあるときには、イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａと同様に、同一のトランスファゲート電極１９４を設けて、それぞれのトランスファゲート電極１９４にそれぞれの所定の電圧Vｔｇを印加することにより、所定のドレイン電圧Vsdと参照ゲート電圧Vrｇの下で、イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａと参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒとの出力の差動増幅をすると良い。
【００５８】
本実施例では、熱型検出バイオセンサ３０として、単一の薄膜１０を、基板1から熱分離するために、例えば、長さ１０００μｍ程度の架橋構造１２状とした場合の一実施例であり、反応部6に設けてある検出用温度センサ２０とその参照用温度センサ２０Rを、熱電対で形成しているが、その時には、熱電導体１２０aとして、SOI層（ｐ型半導体層）を共通にして（電極パッド  は、ＳＯＩ層用共通電極パッド７５P）、熱電導体１２０bを、絶縁膜５０を介して形成したニクロム（NiCr）のスパッタリング薄膜を用いて、形成している。これらの熱電対の測定点（温接点）２６では、絶縁膜５０の貫通口を通したオーム性コンタクト６０で電気的に接続されている。また、本実施例では、ビーズ注入口１０５からポリスチレン（PS）のビーズ５（例えば、直径２０μｍ）に酵素４を固定した酵素固定ビーズ５Ａを流入させて反応部6に設けてあり、ビーズ５の直径よりもそれらの間隔を狭くした留置用ピラー８１で止めて留置してある。例えば、尿などの液体試料中の基質であるクレアチニンに選択的に反応して発熱する酵素4であるクレアチニナーゼを用いる。基質に特異的に反応する酵素との接触により、発熱反応を生じ、酵素を固定してある反応部6の温度が上昇し、検出用温度センサ２０で、参照用温度センサ２０Rによる周囲温度の影響を打ち消すなど、差動増幅される。また、特定イオンを検出するＩＳＦＥＴ９０として、基板1の本体部分に、イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａと参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒ及び参照ゲート電極９７を近接して備え、これらのゲート絶縁膜９３領域と参照ゲート電極９７とが、SU８などのフォトレジスト膜で形成してある中空の流路１７内に露出して、流路１７を流れる被検出液体試料に触れるように設計してある。
【００５９】
イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａのゲート絶縁膜９３領域には、ナトリウム（Na）イオンなどを選択的に取り入れることができるビスクラウンエーテル類である、例えば、Naイオンに対しては、ビス（１２ークラウンー４）などのイオノフォアを取り込んだイオン感応層を具備してあり、参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒのゲート絶縁膜９３領域には、イオン感応層９５を具備せず、イオン不感応層９６のみとして、参照ゲート電極９７を介して、イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａと参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒとの信号出力の差動動作が可能になるようにしている。イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａのイオン感応層９５と、参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒのイオン不感応層９６は、流路１７のうち、イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａと参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒのゲート絶縁膜９３領域の上に位置する箇所に形成してあるゲート層形成窓９９を介して、可塑剤入りのPVC（ポリ塩化ビニル）を用いて、ゲート層形成枠１９５で区切りパターン形成できるようにして、イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａのイオン感応層９５と参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒのイオン不感応層９６とを交互に薄膜状に形成する。このイオン感応層９５等の塗布工程は、熱型検出バイオセンサ３０の反応部6への酵素固定の前の製作工程とした方が、酵素の熱的問題に対応しやすい。なお、PVC（ポリ塩化ビニル）の代わりに、可塑剤入りのフォトレジストを用いることもできる。このフォトレジストを用いた場合は、容易に任意の形状にパターン化できるので、ゲート層形成枠１９５が必ずしも必要としない。
【００６０】
本実施例では、１本の流路１７にある１個の流入口１６から注入した尿などの被検出液体試料が、先ず、特定イオンを検出するＩＳＦＥＴ９０領域を通り、イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａのナトリウム（Na）などのイオンに選択的に感応するイオン感応層９５で、尿などの被検出液体試料中のNaイオンを取り込み、Naイオンは、正に帯電しているので、イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａのゲート絶縁膜９３の下部のｐ型のSOI層１３の表面に反転層であるｎ型チャンネル９４を形成し、ｎ型のソースS９１とドレインD９２との間の抵抗が高いが導通することになる。尿中のNaイオンの濃度が大きいと、ｎ型チャンネル９４が強く反転してｎ型チャンネル９４の抵抗を小さくするので、所定のソ−スD・ドレインD間の電圧（ドレイン電圧Vsd）と所定の参照ゲート電極９７のソースS９１に対する参照ゲート電圧Vrｇの下で、ドレイン電流Iｄが増加することになる。イオン感応層９５を有せず、イオン不感応層９６を有する参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒのドレイン電流Idとの差動増幅による信号比較により、このＩＳＦＥＴ９０で、Naイオンなどの濃度を予め校正したデータに基づき、知ることができる。次に、尿などの被検出液体試料は、特定イオンを検出するＩＳＦＥＴ９０領域を通過した後、同一の１本の流路１７内の後段に設けている熱型検出バイオセンサ３０に入り、被検出液体試料の温度が不定であっても、酵素4が固定していない参照部７で、酵素4を固定している反応部6での周囲温度を補償し、反応部6での基質と酵素4との反応熱のみを差動増幅により計測することができる。検出用温度センサ２０と参照用温度センサ２０Rとの差動出力を、予め用意した校正データに基づき、尿などの被検出液体試料中の特定基質の濃度を計測することができる。その後、被検出液体試料は流路１７の最終部の流出口１８から外部に流出させる。  
【００６１】
前述したように、成人のクレアチニン（基質）の尿中の一日の排出量が１ｇ程度とほぼ定まっており、これを基準にすると、１滴の尿で他の基質や尿中のイオン濃度を調べることができるので、極めて重要であり、クレアチニン補正として知られている。尿中のNaイオン濃度を調べると、高血圧の原因とされる塩分（食塩）の摂取量が分かり、ＩＳＦＥＴ９０によるNaイオン濃度の計測、熱型検出バイオセンサ３０によるクレアチニンの濃度計測による“Naイオン濃度/クレアチニン濃度”の比であるNaイオンのクレアチニン補正が、1個の本発明のイオン・バイオセンサチップにより可能となる。なお、本実施例の図1と図2においては、熱型検出バイオセンサ３０の参照部７に、ビーズ５が留置されていない場合であったが、液体試料の流れや熱容量とを反応部６に近づけるために酵素を固定しないビーズ５を留置しておくこともできる。また、反応部６にヒータ２５を設けてあり、所定の電力のヒータ２５加熱による反応部６の温度上昇を計測して、留置している酵素固定ビーズ５Ａの酵素4の失活などの状況の把握や校正に利用することができる。もちろん、参照部７にもヒータ２５を備えることもできる。また、本実施例では、ＩＳＦＥＴ９０のｎ型のチャンネル９４以外にも導通するチャンネルが形成されないように、高濃度ｐ型のガードリング９８を形成して、ゲート絶縁膜９３直下のｎ型のチャンネル９４のみが応答して高感度化するようにしている。なお、ＩＳＦＥＴ９０のソースS,ドレインD、フィールド絶縁膜１９３、ゲート絶縁膜９３などの形成法自体は、公知のMOSFETなどの製作技術で形成できるので、ここではその説明を省略する。
【実施例２】
【００６２】
図６は、本発明のイオン・バイオセンサチップ１００の他の一実施例の平面概略図で、実施例１との大きな違いは、実施例１では、被検出液体試料が流入口１６から流路１７に流入したときに、1本の流路に形成されたイオン検出するためのＩＳＦＥＴ９０のセンシング部である参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒのゲート絶縁膜９３領域、イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Aのゲート絶縁膜９３領域、参照ゲート電極９７、及び、熱型検出バイオセンサ３０の基板１から熱分離した架橋構造12のセンシング部である参照部７及び酵素固定してある反応部６を経由して、流出口１８に排出されるように設計されていたが、本実施例２では、流入口１６から流入した被検出液体試料が、2つの流路17に分流して流れるようにしてあり、一方の分流した被検出液体試料は、熱型検出バイオセンサ３０を通り、他方の分流した被検出液体試料は、イオン検出するためのＩＳＦＥＴ９０のセンシング部を通るように分割してある場合である。従って、流路を１本にしたか、2本にして分流させたかの違いであり、1本の流路の方（実施例1）は、被検出液体試料の液量は、少なくて済むが、液体の流れの抵抗が大きくなり、更に基板1の長さが大きくなるが、本質的に動作と作用と効果は、ほぼ同等である。ここでは、これらの動作は、実施例1と同等なので、説明を省略する。
【実施例３】
【００６３】
図７は、本発明のイオン・バイオセンサチップ１００の他の一実施例の平面概略図で、実施例２の図６の場合に似ているが、大きな違いは、実施例２の図６では、熱型検出バイオセンサ３０のセンシング部となる架橋構造１２を、1本とし、その1本の架橋構造１２に、参照部７と酵素４（酵素固定ビーズ５Aの表面に固定してある）を固定した反応部６とが、直列接続で構成されており、熱型検出バイオセンサ３０のセンシング部を通る流路１７も、共通の1本であり、イオン検出するためのＩＳＦＥＴ９０のセンシング部を通る流路１７とは、別に分流した共通の1本の流路を、被検出液体試料が参照部７と反応部６とを順次通過する構造になっていた。これに対して、本実施例３の図７の実施例では、熱型検出バイオセンサ３０のセンシング部となる架橋構造１２を、２本並列に配備してあり、そのうちの1本に酵素４を固定した反応部６を備え、他の1本に参照部７を配備した場合である。したがって、熱型検出バイオセンサ３０に流れる尿などの被検出液体試料は、参照部７と反応部６とに分流して流れることになる。そして、本実施例3では、参照部７にもビーズ５（ここには、酵素4を固定していない）を、留置用ピラー８１を設けて留置できるようにしてあり、更に、ヒータ25も形成してある場合を示している。本実施例3では、参照部７と反応部６と個別の架橋構造１２に形成しているので、多少の周囲温度の補償精度を悪くさせる可能性はあるが、反応部６と参照部7とのクロストークも少なくなり、更に、長い架橋構造になるので、高感度で高精度になる。しかし、本質的に上述の実施例1や実施例2とは、動作と作用は、ほぼ同等である。ここでは、これらの動作は、実施例1、２と同等なので、説明を省略する。
【実施例４】
【００６４】
図８は、本発明のイオン・バイオセンサチップ１００の他の一実施例の平面概略図で、実施例３の図７の場合に似ているが、大きな違いは、実施例３の図７では、熱型検出バイオセンサ３０のセンシング部となる架橋構造１２を、２本並列に配備してあり、そのうちの1本に酵素４（酵素固定ビーズ５Aの表面に固定してある）を固定した反応部６を備え、他の1本に参照部７を配備した場合であった。そして、イオン検出するためのＩＳＦＥＴ９０は、1個のイオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａと1個の参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒとを1本の共通の流路内にそれらのセンシング部分であるゲート絶縁膜９３領域を露出させるように配備していた。これに対して、本実施例4の図8では、熱型検出バイオセンサ３０のセンシング部となる架橋構造１２を、３本並列に配備してあり、更に、2個の異なるイオンに対して選択的に親和性のあるイオン感応層９５を備えたイオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａとイオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ｂとを、共通の1個の参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒと、1個の参照ゲート電極９７と共に、近接配置し、これらのセンシング部を共通の1本の流路内に配置してある場合である。なお、参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒの配置をイオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａとイオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ｂで挟むように配置している。これは、可能な限りこれらのイオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａとイオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ｂに対して近接配置して、しかも、同等に参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒとしての役割を果たすためである。
【００６５】
熱型検出バイオセンサ３０のセンシング部となる同等形状の３本並列配置の架橋構造１２の1本を、参照部７として採用し、酵素4を固定していないビーズ５を留置し、他の２本の架橋構造１２には、それぞれ反応部６Aと反応部６Bとを配置して、異なる基質のそれぞれに特異的に反応する酵素４Aと酵素４Bを表面固定したビーズ５である酵素固定ビーズ５Ａと酵素固定ビーズ５Ｂをそれぞれ留置している。例えば、酵素４Aとして、基質であるクレアチニンに対するクレアアチニナーゼとし、他方の酵素４Bとして、基質であるタンパク（アルブミン）に対するトリプシンなどとすることができる。これらの反応部６Aと反応部６Bのそれぞれ形成してある第1の検出用温度センサ２０Aと第２の検出用温度センサ２０Bとで、それぞれの酵素４Aと酵素４Bとに接触して発熱反応をする基質であるクレアチニンとタンパクの濃度を、反応部６Aと反応部６Bの温度上昇を参照部７に対して計測することにより求めることができる。また、上記のイオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａとイオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ｂのそれぞれのイオン感応層９５として、イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａには、ナトリウム（Na）イオンに対して選択的なイオノフォアであるビス（１２ークラウンー４）を含有する上述の可塑剤入りのPVCを用い、また、イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Bには、カリウム（K）イオンに対して選択的なイオノフォアであるバリノマイシン、15−クラウン−5−エーテル、ジベンゾ−１８−クラウン−６（DB118C6)などを含有する可塑剤入りのPVCを同様に用いた場合である。
【００６６】
本実施例４では、熱型検出バイオセンサ３０では、例えば、基質のクレアチニンの他に、タンパクなどの尿などの液体試料中の濃度を同時計測できるので、タンパクのクレアチニン補正ができる。また、同時に、ナトリウム（Na）イオンやカリウム（K）イオンの濃度も同時計測できるので、ナトリウム（Na）イオンやカリウム（K）イオンのクレアチニン補正ができると共に、ナトリウム（Na）イオン濃度/カリウム（K）イオン濃度の濃度比も計測できる。高血圧対策には、ナトリウム（Na）イオン濃度/カリウム（K）イオン濃度の濃度比の計測が重要であることが分かって来て居り、簡便でハンディなイオン・バイオセンサが提供できる。本質的に上述の実施例1から実施例３とは、動作と作用は、ほぼ同等である。ここでは、これらの動作の説明を省略する。
【実施例５】
【００６７】
図９は、本発明のイオン・バイオセンサチップ１００の他の一実施例の横断面概略図で、実施例１の図２の場合に対比して描いたものである。実施例１の図２の場合との大きな違いは、実施例１の図２の実施例では、基板1の本体部分に、イオン検出のためのISFET９０であるイオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａと参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒ及び参照ゲート電極９７を形成してあったが、本実施例5の図9では、別に用意してあるシリコン（Si）基板のISFETチップ１０１にこれらのISFET９０を形成しておき、流路１７に設けてあるISFETチップ接合窓１９９に液体試料などが漏れないように密閉接合して、イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａと参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒのゲート絶縁膜９３領域と参照ゲート電極９７とが露出して、流路内を通る尿などの被検出液体試料に触れるようにしてある。また、ISFET９０のソース電極１９１、ドレイン電極１９２、参照ゲート電極９７などの各電極が、熱型検出バイオセンサ３０が形成されている基板１に配置してある対応する各電極に（ここでは、表示せず）電気的に接合できるように、ISFETチップ１０１に形成してある各応電極に電極用バンプ１９６を流路１７の高さよりも高く飛び出す形で形成してある。図10には、ISFETチップ１０１に形成したISFET９０の様子を示す平面概略図を示す。ここでは図示しないが、熱型検出バイオセンサ３０が形成されている基板１に設けてあるこれらの電極パッドを通して、ISFETチップ１０１に形成したイオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａと参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒや参照ゲート電極９７などの各電極に導通するようにしてある。動作は、実施例１と同等であるので、ここではその説明を省略する。
【００６８】
上述の実施例5の図9では、実施例１で示した図1と図2に対応する形で、１本だけの流路17に、イオン検出するISFET９０と、基質を熱的に検出する熱型検出バイオセンサ３０とを配列させた例にしたが、実施例２、３，４などの実施例のイオン・バイオセンサチップ１００に対応するようにして、別に用意するISFETチップ１０１に形成して、実施例5で示すように、熱型検出バイオセンサ３０が形成してある基板1に形成している流路１７を流れる液体試料にISFETのイオンセンシング部が接触するようにISFETチップ１０１を密閉して接合して、更にISFETチップ１０１の各電極と対応する基板1上の各電極とも互いに導通するように接合しても良い。
【実施例６】
【００６９】
図１１は、本発明のイオン・バイオセンサモジュール５００の一実施例の断面概略図を示す。イオン・バイオセンサチップ１００は、架橋構造１２の微細な流路１７を備えて居り、指やピンセットで不用意に触れることは、破壊の恐れがあり危険である。また、熱型検出バイオセンサ３０に用いる酵素４（酵素固定ビーズ５Aの表面に固定してある）は、タンパク質であるので、その保存状態にもよるが、失活や経時的な触媒作用の劣化が問題となる。従って、酵素４は、洗浄などにより繰り返し使用できるものであるが、劣化のためにイオン・バイオセンサチップ１００を交換する必要が出てくる。この場合、イオン・バイオセンサチップ１００だけの交換は、そのハンドリングが一般のユーザには、困難なものである。そこで、イオン・バイオセンサチップ１００を取付けてあり、カセット的に容易に交換可能なモジュール化が求められる。本発明は、イオン・バイオセンサチップ１００を備えてカセット的に容易に交換可能なバイオセンサモジュール５００を提供するものである。
【００７０】
イオン・バイオセンサモジュール５００のモジュール部材５１０の流路１７、流入部１６０や排出部１８０などは、微細で精度の確保を必要とする構造なので、プラスチックの３Dプリンタで形成すると良い。また、イオン・バイオセンサチップ１００の各種電極端子からの配線は、例えば、バンプ電極３１０で圧着接触させ、端子ピン３５０を設けて、外部のコネクタに差し込み電気的に配線するようにしている。イオン・バイオセンサチップ１００の固定は、例えば、センサチップ固定板５２０で、ワンタッチで固定できるようにしている。また、被検出液体試料は、流入部１６０から流入し、イオン・バイオセンサチップ１００の流入口１６から流路１７を通って、更に流出口１８から排出部１８０を通って、外部に排出されるようにしている。イオン・バイオセンサチップ１００とモジュール部材５１０の流路１７とは、パッキン５３０により液漏れがないようにしている。このバイオセンサモジュール５００は、ワンタッチで、後述の図１２に示すイオン・バイオセンサ１０００の取り付け箇所のコネクタ固定板５８０に差し込み固定できるようにすると良い。  
【実施例７】
【００７１】
図１２は、本発明のイオン・バイオセンサ１０００の一実施例の概略図を示す。本実施例では、プラスチックのケース５７０の中に、前述の実施例６に示したイオン・バイオセンサモジュール５００を、コネクタ固定板５８０にそこに備えてあるコネクタ５５０とイオン・バイオセンサチップ１００用のコネクタ５５０とを用いて、イオン・バイオセンサモジュール５００の端子ピン３５０を差し込み接続して電気的に電子回路６６０に配線４００を通って接続するようにしている。本発明のイオン・バイオセンサ１０００では、被検出液体試料の流入、排出の駆動手段６１０として吸引ポンプを用い、タンク６２０を介して、弁６００としての電磁弁で、液体試料の流れの急速な制御ができるようにしている。それらの制御は、イオン・バイオセンサ１０００の内部に組み込みの電子回路６６０のマイコンによりタイミングや流れの開始や停止が所定のルールで行うようにしている。また、イオン・バイオセンサチップ１００内の各流路に固定されている酵素４とそれらに対応する基質との熱反応に基づく各出力信号から各基質の濃度などが予め用意している校正データに基づき、マイコンで演算して、表示部６７０としての液晶表示で文字として表すようにしている。
【実施例８】
【００７２】
図１３には、本発明のイオン・バイオセンサ１０００を駆動する場合の構成概略図の一実施例のブロック図を示す。イオン・バイオセンサに用いるイオン・バイオセンサチップ１００は、Ｓｉ単結晶であるＳＯＩ基板を用いて製作すると、ＭＥＭＳ技術が適用できやすく好適である。そして、このＳＯＩ基板から成るセンサチップに集積回路技術で電源回路、増幅回路、演算回路および制御回路も集積化できるし、これらを別の半導体基板等に集積化して、モジュール化することもできる。このようにすることにより、極めてコンパクトなイオン・バイオセンサ１００を提供することができる。電源回路は、駆動手段６１０や弁６００等の駆動や他の回路への電源の供給に関わる回路であり、増幅回路は、第1の検出用温度センサ２０Ａ、第２の検出用温度センサ２０B、参照用温度センサ２０Ｒ、絶対温度センサ２３などの温度センサやこれらの差動信号等の出力を増幅する回路である。もちろん、ヒータ２５を動作させない場合は、ヒータ２５の駆動や制御は不要である。演算回路は、第１の温度センサ２０Ａ、第２の温度センサ２０B、参照用温度センサ２０Ｒ、絶対温度センサ２３などの温度センサからの出力やこれらに基づく差引や積分、また、これらの出力信号などを利用し、更にメモリ回路との組み合わせにより、予め用意した校正データの下で液体試料中の特定基質成分の量への換算やこれらに比率、更にはクレアチニン補正のためのクレアチニン濃度に対する基質の濃度やNa イオンなどのイオン濃度比の演算などを演算処理するような回路である。また、制御回路は、弁６００の電磁弁で、液体試料や洗浄液の流入開始や停止などの制御や、繰り返しとその周期などの制御を行い、更には、信号の積分時間の設定などの温度制御やフィードバック制御なども必要に応じ行う回路である。
【００７３】
上述では、主に液体試料の体液として、尿を主体にして説明したが、同様に、血液、汗、唾液、涙などの体液を用いて、各種の特定基質成分の基質と酵素４の酵素と、更に必要に応じて補酵素などを用いた組合せで、各種の特定基質成分や酵素４の種類の特定とそれらの量およびこれらの量の比較と比率の算出、NaやKイオンなどイオン濃度やこれらのクレアチニン補正の算出を短時間、例えば、十秒程度以内に計測できるものである。また、上述では、ヒトの体液を利用したが、必ずしもヒトとも限らず、動物でも良いし、また、体液以外にも、野菜や果物さらには海藻などの溶液中の特定基質の量の検出を、基質とそれに対応して特異的に選択触媒反応をする酵素や補酵素との組み合わせにより生じる熱反応による温度上昇分ΔＴの計測により可能になる。また、上述の実施例では、架橋構造１２状の薄膜１０、１０ａ、１０ｂなどを数個個の場合を示したが、必要に応じて、１０個やそれ以上にすることもできることは言うまでもない。また、上述では、イオン・バイオセンサチップ１００にＳＯＩ基板を用いた場合を主に示したが、（１００）面の安価なＳｉ基板でも高濃度のホウ素を熱拡散などで添加すると、Ｓｉの異方性エッチング液であるヒドラジンなどのアルカリエッチャントに耐えるので、架橋構造などの薄膜10が安価に形成で知る。また、基板１や薄膜１０として耐熱性プラスチックなどの安価な材料を用い、更に、第１の検出用温度センサ２０A、第２の検出用温度センサ２０B、参照用温度センサ２０Ｒとして、熱電材料の蒸着やスパッタリング、更には、プリントなどで熱電対やサーモパイルを形成しても良い。更にまた、上述の実施例では、熱型検出バイオセンサの反応部６に酵素４を固定するのに、ポリスチレンなどのビーズ５に固定した酵素固定ビーズ５Ａ、５Ｂを用いた場合を示したが、酵素のエレクトロクリック法で、所定の反応部６に形成した電極上の電着したキトサン上に流路17内で固定する方法、多孔質物質などに混ぜて固定する方法など種々あり、いずれの方法でも製作工程に問題がなければ適用可能である。
【００７４】
本発明の上述の実施例の図面では、請求項に記載された同一の概念を有する部位には、同一の符号を付してある。また、本発明の実施例では、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、当然、種々の変形がありうる。いわゆる当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明のイオン・バイオセンサチップ１００は、熱型検出バイオセンサとして、MEMS技術により基板１から熱分離した薄膜１０に、液体試料を流す流路１７で繋がる第１の検出用温度センサ２０A、第２の検出用温度センサ２０Bなどが反応部６に形成してあり、参照用温度センサ２０Ｒが参照部７に形成してあり、さらに、基板１の流入口１６から延在して薄膜１０の反応部６と参照部７を経由して、空洞４０を跨ぎ対向する同一の基板１領域に形成した流出口１８まで延びる流路１７とを備えており、流路17内の異なる反応部６に形成してあるそれぞれに選択的に対応する異なる特定の酵素４が固定してあり、これを基板１の周囲に設けている外部電極パッドから酵素反応による温度上昇分が計測できるようにしている。そして、反応部６の温度センサである、例えば、第１の温度センサ２０Aとその参照部７の参照用温度センサ２０Ｒとは、熱的にバランスが取れるように同等な形状と対称性のある配置にしているので、尿のように周囲温度から大きくずれている被検出液体試料を流路１７に流し込んでも、これらの差動検出により高精度の温度差計測が実現できるようになった。また、洗浄液を用いて流路１７内を洗浄することもできるので、何度も使用できるイオン・バイオセンサが提供できる。更に、尿などの液体試料中のナトリウムUNあ）イオンやカリウム（K）イオンの検出用に、イオン検出用ＩＳＦＥＴ９０Ａ、９０Ｂや参照用ＩＳＦＥＴ９０Ｒ、更に、これらに共通の参照ゲート電極９７を有するISFET９０を、熱型検出バイオセンサと直列または並列に設けて、共通の被検出液体試料が流れる流路１７に配置してあるので、同時に、熱型検出バイオセンサでの基質の濃度とISFET９０でのイオン濃度が計測できる。熱型検出バイオセンサでクレアチニン濃度を計測するようにすれば、各種の基質やイオンのクレアチニン補正が可能になり、本発明のイオン・バイオセンサチップやそのイオン・バイオセンサモジュール５００を搭載したハンディなイオン・バイオセンサの装置の提供により、数十秒の短時間の計測時間で、しかも１滴の尿などの被検出液体試料で、糖尿病、腎臓病の前兆の診断や高血圧の予防などに貢献することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１  基板
４、４Ａ、４Ｂ  酵素
５  ビーズ
５Ａ、５Ｂ  酵素固定ビーズ
６、６Ａ、６Ｂ  反応部
７，７Ａ，７Ｂ  参照部
１０、１０a、１０b、１０ｒ  薄膜
１１  ＳＯＩ層
１２  架橋構造
１５  下地基板
１６  流入口
１７  流路
１８  流出口
２０、２０A、２０B  検出用温度センサ  
２０R  参照用温度センサ
２３  絶対温度センサ
２３Ｐ  絶対温度センサ電極パッド
２５  ヒータ
２６  測定点（温接点）
２７  基準点（冷接点）
３０  熱型検出バイオセンサ
４０  空洞
５０  絶縁膜
５１  BOX層
６０  オーム性コンタクト
６１  高濃度拡散層
７０P、７０AP、７０ＢP  検出用温度センサ電極パッド
７０RＰ、７０ＲＡ P  参照用温度センサ電極パッド
７１P   ヒータ用電極パッド
７５P  ＳＯＩ層用共通電極パッド
７６P  絶対温度センサ用電極パッド        
８０  ピラー
８１  留置用ピラー
８３  逆流防止ピラー
９０  ＩＳＦＥＴ
９０Ａ、９０Ｂ  イオン検出用ＩＳＦＥＴ
９０Ｒ  参照用ＩＳＦＥＴ
９１  ソースＳ
９２  ドレインＤ
９３  ゲート絶縁膜
９４  チャンネル
９５  イオン感応層
９６  イオン不感応層
９７  参照ゲート電極
９７P 参照ゲート電極パッド
９８  ガードリング
９９  ゲート層形成窓
１００  イオン・バイオセンサチップ
１０１  ISFETチップ
１０５  ビーズ注入口
１１０  ＳＯＩ層用絶縁分離溝
１１７  流路部材
１２０a, １２０b  熱電導体
１５０  カバー
１６１  流入部
１８０  排出部  
１９１  ソース電極
１９１Ｐ  ソース電極パッド
１９２  ドレイン電極
１９２Ｐ  ドレイン電極パッド
１９３  フィールド絶縁膜
１９４  トランスファゲート電極
１９５  ゲート層形成枠
１９６  電極用バンプ
１９９  ISFETチップ接合窓
３１０  バンプ電極
３５０  端子ピン
４００  配線
５００  イオン・バイオセンサモジュール
５１０  モジュール部材
５２０  センサチップ固定板
５３０  パッキン
５５０  コネクタ
５６０  アダプタ
５７０  ケース
５８０  コネクタ固定板
６００  弁
６１０  駆動手段
６２０  タンク
６５０  バッテリ
６６０  電子回路
６７０  表示部
１０００  イオン・バイオセンサ
【図１】
2019039734.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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