(57)【要約】      （修正有）【課題】ショットキー接合より内蔵電位の大きく、高い量子効率を望めるｐｎ接合を用いることで、より感度の高い二次元化学測定デバイスを提供する。【解決手段】電気化学センサ２０と、その上に接合されてなるウェルアレイプレート１０とを備え、ウェルアレイプレート１０は液状の分析対象物Ｄを個別に入れるウェル１１に対応する複数の貫通孔１２を備え、電気化学センサ２０は、ウェル１１の底部と導通可能なｐｎ接合型半導体層を備え、ウェルアレイプレート１０はウェル１１内に存在する分析対象物Ｄの酸化還元反応の生じる際に、前記ｐｎ接合型半導体層、前記分析対象物、前記ウェルの内側および前記ウェルの外側の経路を電流が流れるように電気化学センサ２０と接合して成る電気化学計測型マイクロアレイ１。【選択図】図２
2019163996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流計測型の電気化学センサと、当該電気化学センサ上に接合されてなるウェルアレイプレートとを備え、
前記ウェルアレイプレートは、液状の分析対象物を個別に入れるウェルに対応する複数の貫通孔を備え、
前記電気化学センサは、前記ウェルの底部と導通可能なｐｎ接合型半導体層を備え、
前記ウェルアレイプレートは、前記ウェル内に存在する分析対象物の酸化還元反応の生じる際に、前記ｐｎ接合型半導体層、前記分析対象物、前記ウェルの内側および前記ウェルの外側の経路を電流が流れるように前記電気化学センサと接合して成る電気化学計測型マイクロアレイ。
【請求項２】
前記ウェルアレイプレートは、金属材料からなるか、または導電性フィラーを分散してなる導電性材料からなり、前記ウェルアレイプレートと対向する側に位置する層であって前記ウェルの底部として機能する前記半導体層の一構成層と絶縁するように、絶縁性接着剤を介在して前記電気化学センサと接合して成る請求項１に記載の電気化学計測型マイクロアレイ。
【請求項３】
前記ウェルアレイプレートは、前記導電性材料の表面が複数の細孔を有する絶縁性皮膜で被覆されてなり、前記細孔を通じて前記ウェルの内側と外側との間を電気的に導通する請求項２に記載の電気化学計測型マイクロアレイ。
【請求項４】
前記ウェルアレイプレートは絶縁性材料からなり、該絶縁性ウェルの少なくとも一部表面に、前記ウェルの内側と外側との間を導通可能な第１導電層を備える請求項１に記載の電気化学計測型マイクロアレイ。
【請求項５】
前記ウェルアレイプレートは絶縁性材料からなり、該絶縁性ウェルの長さ方向のいずれかの位置に、前記ウェルの内側と外側との間を導通可能な第２導電層を備える請求項１に記載の電気化学計測型マイクロアレイ。
【請求項６】
前記半導体層は、前記ウェルの底部として機能する前記半導体層の一構成層として、前記ｐｎ接合型半導体のｎ型半導体の層若しくはｐ型半導体の層または島状の金属層を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気化学計測型マイクロアレイ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気化学計測型マイクロアレイの製造方法であって、
電気化学センサを構成するｐｎ接合型半導体層を作製する工程と、
接着剤を基材の片面に塗布する塗布工程と、
前記基材の前記接着剤の側を前記ウェルアレイプレートに接触させて、前記接着剤を前記ウェルアレイプレート側に転写する転写工程と、
前記ウェルアレイプレートの前記接着剤の側に、前記電気化学センサの前記半導体層の側を接着する接着工程と、
を含む電気化学計測型マイクロアレイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多数のサンプルを電気化学計測するための電気化学計測型マイクロアレイ、および電気化学計測型マイクロアレイの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、創薬プロセスの初期スクリーニングを代表する手法として、マイクロプレートを用いた多数サンプルの同時蛍光測定が知られている。一方、分子機能を多点測定で並列分析可能な手法として、集光した光スポットによる励起電流から半導体の表面電位を読み取る技術（ＳＰＶ法）を応用した化学センサが知られている。この化学センサは、Ｌｉｇｈｔ  Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ  Ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｏｒｉｃ  Ｓｅｎｓｏｒ（ＬＡＰＳ）として知られている。また、光導電性有機膜を光活性層として採用することによって、検出対象が電荷密度の変化を伴わない系についても分析可能な電気化学センサも知られている（特許文献１を参照）。
【０００３】
一方、膨大な数の微量サンプルを取り扱う機器として、マイクロプレートやマイクロアレイが広く知られている。さらに、微量分析および多段階反応の検知に優位なＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ）／μＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイスも知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２４１３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、マイクロプレートを用いた多数サンプルの同時蛍光測定の場合には、分子機能を評価するには特殊な蛍光標識分子の設計が必要となる。また、ＬＡＰＳは、ｐＨ測定をはじめとする電位計測によるセンサであるため、分析対象分子によっては適用困難である。マイクロプレートは、多段階反応に対して優位であるが、微量分析および並列分析については未だ課題を有する。マイクロアレイは、逆に、微量分析および並列分析については優位であるが、個別反応および多段階反応については未だ課題を有する。さらに、ＭＥＭＳは、汎用性に乏しく、且つ構造が複雑であるという課題を有する。
【０００６】
本発明者らは、既に電流計測型の電気化学二次測定法を二次元電気化学センサとして実現するＬｉｇｈｔ  Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ  Ａｍｐｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  Ｓｅｎｓｏｒ（ＬＡＡＳ）デバイスの開発に成功しているが、例えば、無機ショットキー接合型のＬＡＡＳデバイスでは、極めて低濃度の検出感度まで到達することは難しい。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みて、ショットキー接合より内蔵電位の大きく、高い量子効率を望めるｐｎ接合を用いることで、より感度の高い二次元化学測定デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記目的を達成するために、本発明の一実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイは、電流計測型の電気化学センサと、その電気化学センサ上に接合されてなるウェルアレイプレートとを備え、ウェルアレイプレートは、液状の分析対象物を個別に入れるウェルに対応する複数の貫通孔を備え、電気化学センサは、ウェルの底部と導通可能なｐｎ接合型半導体層を備え、ウェルアレイプレートは、ウェル内に存在する分析対象物の酸化還元反応の生じる際に、ｐｎ接合型半導体層、分析対象物、ウェルの内側およびウェルの外側の経路を電流が流れるように電気化学センサと接合して成る。
（２）別の実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイにおいて、さらに、ウェルアレイプレートは、金属材料からなるか、または導電性フィラーを分散してなる導電性材料からなり、ウェルアレイプレートと対向する側に位置する層であってウェルの底部として機能する半導体層の一構成層と絶縁するように、絶縁性接着層を介在して電気化学センサと接合して成るプレートであっても良い。
（３）別の実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイにおいて、また、ウェルアレイプレートは、導電性材料の表面が複数の細孔を有する絶縁性皮膜で被覆されてなり、その細孔を通じてウェルの内側と外側との間を電気的に導通可能な導電層を備えても良い。
（４）別の実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイにおいて、また、ウェルアレイプレートは絶縁性材料からなり、この絶縁性ウェルの少なくとも一部表面に、ウェルの内側と外側との間を導通可能な第１導電層を備えても良い。
（５）別の実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイにおいて、また、ウェルアレイプレートは絶縁性材料からなり、この絶縁性ウェルの長さ方向のいずれかの位置に、ウェルの内側と外側との間を導通可能な第２導電層を備えても良い。
（６）別の実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイにおいて、また、半導体層は、ウェルの底部として機能する半導体層の一構成層として、ｐｎ接合型半導体のｎ型半導体の層若しくはｐ型半導体の層または島状の金属層であっても良い。
（７）本発明の一実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイの製造方法は、上述のいずれか１つの電気化学計測型マイクロアレイを製造する方法であって、電気化学センサを構成するｐｎ接合型半導体層を作製する工程と、接着剤を基材の片面に塗布する塗布工程と、基材の接着剤の側をウェルアレイプレートに接触させて、接着剤をウェルアレイプレート側に転写する転写工程と、ウェルアレイプレートの接着剤の側に、電気化学センサの半導体層の側を接着する接着工程と、を含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ショットキー接合より内蔵電位の大きく、高い量子効率を望めるｐｎ接合を用いることで、より感度の高い二次元化学測定デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイの平面図（１Ａ）および当該平面図のＡ−Ａ線で切ったときのＡ−Ａ線断面図（１Ｂ）をそれぞれ示す。
【図２】図２は、図１の電気化学計測型マイクロアレイのウェル内に液状の分析対象物を入れた状態の縦断面図およびその一部Ｂの拡大模式図をそれぞれ示す。
【図３】図３は、第１実施形態の各種変形例に係る電気化学計測型マイクロアレイ（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ）の図１（１Ｂ）と同様のＡ−Ａ線縦断面図を示す。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイの図１（１Ｂ）と同様のＡ−Ａ線縦断面図（４Ａ）および当該（４Ａ）の電気化学計測型マイクロアレイのウェル内に液状の分析対象物を入れた状態の縦断面図とその一部Ｂの拡大模式図（４Ｂ）をそれぞれ示す。
【図５】図５は、図１の電気化学計測型マイクロアレイの電気化学センサの製造方法のフローを示す。
【図６】図６は、図５に続く電気化学計測型マイクロアレイの製造方法のフローを示す。
【図７】図７は、第１実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイを含む酸化還元電流測定装置の模式図を示す。
【図８】図８は、酸化還元電流の測定方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また、各実施形態の中で説明されている諸要素およびその組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１２】
１．電気化学計測型マイクロアレイ
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイの平面図（１Ａ）および当該平面図のＡ−Ａ線で切ったときのＡ−Ａ線断面図（１Ｂ）をそれぞれ示す。
【００１３】
第１実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイ１は、電流計測型の電気化学センサ２０と、電気化学センサ２０上に接合されてなるウェルアレイプレート１０とを備える。ウェルアレイプレート１０は、液状の分析対象物を個別に入れるウェル１１に対応する複数の貫通孔１２を備える。ウェルアレイプレート１０におけるウェル１１の長さ方向（ウェルアレイプレート１０の厚さ方向ともいう）については、特に制約されないが、例えば、好適には０．８〜５．０ｍｍの範囲、より好適には１．０〜３．０ｍｍの範囲、さらにより好適には１．５〜２．５ｍｍの範囲に設定可能である。
【００１４】
ウェルアレイプレート１０は、ウェル１１の内側と外側との間に電流が流れる構造を有する。かかる構造については、後ほど例示する。この実施形態では、ウェル１１は、図の見やすさを優先して、縦５個×横５個の合計２５個のみであるが、実際にはもっと多くの個数（例えば、縦３２個×横３２個の合計９６０個）とすることができる。ウェル１１の直径については、特に制約されないが、例えば、好適には０．２〜１．０ｍｍの範囲、より好適には０．３〜０．８ｍｍの範囲、さらにより好適には０．４〜０．７ｍｍの範囲に設定可能である。
【００１５】
電気化学センサ２０は、電流計測型のセンサであり、後述するように、光活性層（光励起層）としてｐｎ接合型半導体を備える。これにより、センサデバイスの薄膜化および高解像度化が実現される。また、光活性層の表面積を増加させることが可能となり、もってセンサデバイスの観測対象を拡げることができる。さらに、センサデバイスの低コスト化も実現できる。この点について、従来のＬＡＰＳと対比して説明する。ＬＡＰＳは、センサ表面の電荷量の増減を光励起電流に置き換えて読み取ることをその基本原理とするものであり、検出対象をセンサ表面に結合させること、および検出対象が固有の電荷を有していることが前提となる。
【００１６】
したがって、ＬＡＰＳにおいては、検出対象を特異的に結合させるための感応膜が必須となるが、例えば、ある種の比較的低分子の生理活性物質について特異性の高い最適な抗体分子を設計するのは困難であった。また、その原理上、検出対象が電荷密度の変化を伴わない系については観測することができないという問題があった。
【００１７】
これに対し、電気化学センサ２０は、光活性層としてｐｎ接合型半導体を備えるため、検出対象が電荷密度の変化を伴わない系についても観測可能である。さらに、光を使って対象を検出する測定技術（例えば、冷却ＣＣＤカメラ）との対比において、ｐｎ接合型半導体は、分子の効き目を光に置き換える必要がなく、電気化学測定による分子機能のモニタリングが可能であるという利点を有する。また、ｐｎ接合型半導体は、測定溶液で起こる酵素反応などの酸化還元反応における電子移動を直接計測することが可能となる。
【００１８】
光活性層を構成するｐｎ接合型半導体は、キャリアが正孔であるｐ型半導体とキャリアが電子であるｎ型半導体とが接合したものであれば特に限定されるものではなく、有機半導体材料や無機半導体材料を用いて作製することができる。無機半導体としては、アモルファスシリコン、ポリシリコン等のシリコン半導体や、ＩＧＺＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯ等の酸化物半導体を用いることができる。また、有機半導体としては、ペンタセン等のアセン類、ベンゾチオフェン等の含複素縮合環芳香族化合物、ポルフィリン、フタロシアニン等のアヌレン化合物が挙げられ、中でもポルフィリン、フタロシアニン等のアヌレン化合物が好ましい。より具体的には、ｐ型有機半導体の例としては、ペリレン−３，４，９，１０−テトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）などが挙げられ、ｎ型有機半導体の例としては、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）などが挙げられる。
【００１９】
耐久性や感度の観点からは無機半導体が好ましく、これは、不純物を半導体中に熱的に拡散させる熱拡散法などを用いて作製することができる。例えば、ｎ型Ｓｉにボロン（Ｂ）や、ｐ型Ｓｉにリン（Ｐ）を、気相、液相および固相にて拡散させる。固相拡散法としては、ドープトオキサイド法や塗布法などがあり、低温で（３００〜５００℃程度）Ｓｉの表面に不純物（ＢやＰなど）を含んだ酸化膜を作製（プリベーク）し、その膜を拡散減として高温で不純物を拡散（ベーク）させる。無機ｐｎ接合型半導体を備える電気化学センサ２０は、他のデバイス（有機ヘテロ接合型、無機ショットキー接合型）に比べてが高く、低出力レーザーでも十分なキャリア生成が可能であり、観測電流が励起キャリア数で律速されないため感度が高いと考えられる。また、無機ｐｎ接合型半導体では、有機ヘテロ接合型、無機ショットキー接合型に比べて強固なデバイス構造を作製することが可能であり、繰り返し測定の耐久性および耐環境性に優れる。
【００２０】
次に、電気化学センサ２０の構成を説明する。電気化学センサ２０は、ｐｎ接合型半導体の層２０ａ（以下、単に、「半導体層２０ａ」と称する場合がある）を備える。この実施形態における半導体層２０ａは、ｎ型半導体（この実施形態ではＳｉ半導体）２２と、ｎ型半導体２２上に積層されてなるｐ型半導体２３（例えば、ボロンドープＳｉ）との接合から成る。ｐ型半導体２３の上には、オーミック接合電極として島状の金属層２４が、電気化学計測型マイクロアレイ１における各ウェル１１の底部となるように設けられている。この実施形態では、金属層２４の数およびその形成位置は、ウェル１１の数および底部の位置とそれぞれ一致する。なお、金属層２４は、必ずしも設けなくとも良い。
【００２１】
ウェルアレイプレート１０は、ウェルアレイプレート１０と対向する側に位置する層であってウェル１１の底部として機能する金属層２４と絶縁するように、絶縁性接着層３０を介在して電気化学センサ２０と接合して成る。絶縁性接着層３０としては、例えば、シリコーンゴム系の接着剤を硬化して成る。絶縁性接着層３０は、金属層２４の側面および表側の面の縁を覆っているが、金属層２４の表側の面の全面を覆っていない。金属層２４と、ウェル１１に入れられた液状の分析対象物とを接触可能にする必要からである。絶縁性接着層３０は、できるだけ薄い方が好ましく、好適には１００μｍ以下、より好適には５０μｍ以下、さらにより好適には３０μｍ以下の厚さを有する。
【００２２】
ウェルアレイプレート１０は、ウェル１１の内壁と外壁との間に導電性を付与できれば、どのような材料および構造から成るものでも良い。ウェルアレイプレート１０としては、例えば、ステンレススチールあるいはアルミニウム等の導電性に優れた金属材料から構成されるハニカム型のプレート、ガラスエポキシ樹脂のウェルの内壁を含めた表面をＡｕあるいはＰｔ等の導電性に優れた金属薄膜でコーティングしたハニカム型のプレート、シリコーンゴムに導電性フィラー（例えば、炭素、アルミニウム等の金属であって粒子、ウィスカー、繊維状の形態を有するフィラー）を分散させた導電性ゴム状弾性材料から成るハニカム型プレートを好適に例示できる。ゴム状弾性体としては、シリコーンゴム、ウレタンゴム、イソプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、天然ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）あるいはスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の熱硬化性エラストマー；ウレタン系、エステル系、スチレン系、オレフィン系、ブタジエン系、フッ素系等の熱可塑性エラストマー、あるいはそれらの複合物等を例示できるが、特に、シリコーンゴムが好ましい。この実施形態におけるウェルアレイプレート１０は、シリコーンゴムに粒子状のグラファイトフィラーを分散させた導電性ゴム状弾性材料から成る。
【００２３】
図２は、図１の電気化学計測型マイクロアレイのウェル内に液状の分析対象物を入れた状態の縦断面図およびその一部Ｂの拡大模式図をそれぞれ示す。
【００２４】
電気化学計測型マイクロアレイ１は、酵素反応などの酸化還元反応における電子移動を直接計測することが可能である。なお、本願において電流計測型の電気化学センサ２０をＬＡＡＳと称することもある。ウェルアレイプレート１０およびｎ型半導体２２の双方からそれぞれ配線を延ばして両配線間に電圧を印加すると、ウェル１１の内側と金属層２４とが分析対象物Ｄを介してはじめて導通可能な状況にある。ウェルアレイプレート１０は、絶縁性接着層３０を介して金属層２４およびｐ型半導体２３と接続されているからである。各ウェル１１内に入れられた分析対象物Ｄの中には、特定の基質４２が酵素４１の作用によって生成物４３へと変化する酵素反応が生じているものもある。その場合、酸化型メディエータ４４は、電子を受け取って還元型メディエータ４５となり、金属層２４へ電子を放出して酸化型メディエータ４４となるサイクルを繰り返すことができる。
【００２５】
電気化学計測型マイクロアレイ１のウェル１１内に入れた液状の分析対象物Ｄを分析する際には、レーザー発振機４０（励起光照射手段の一例）から各ウェル１１の底部位置にレーザー光（励起光の一例）が照射される。レーザー光は、ｎ型半導体２２に照射される。ｎ型半導体２２とｐ型半導体２３とが接合している接合界面ではキャリアのいない空乏層が生じ、ｐ型側にマイナス電荷が、ｎ型側にプラス電荷がたまり内蔵電位差が生じる。接合部ではバンドの曲がりが障壁になり、電子はそれ以上進めず、通常は、ｎ型半導体２２とｐ型半導体２３との間には電気が流れない。しかし、レーザー光のエネルギーを受けると、ｐｎ接合部位で電子とホールが励起され、内蔵電位のスロープによりホールはｐ型半導体２３へ流れ込み、電子はｎ型半導体２２へ流れ込む。このため、ｎ型半導体２２から金属層２４に電流が流れる領域４８が形成される。なお、電子の流れは電流の流れの逆である。このように、ｎ型半導体２２とｐ型半導体２３とをｐｎ接合した半導体層２０ａは、光導電性薄膜として機能すると共に光起電力を発生させる。
【００２６】
ｎ型半導体２２に接続される電極を作用極（ＷＥ）、ウェルアレイプレート１０を対極（ＣＥ）とするように外部電源を接続し、接合に逆バイアスがかかるよう作用極側が負極、対極が正極となるバイアス電圧を印加した状態でウェル１１ごとにレーザー光を照射すると、特定のウェル１１において、電子は、分析対象物Ｄから金属層２４、ｐｎ接合層、ｎ型半導体２２へと流れる。また、電子は、ウェルアレイプレート１０からウェル１１の内側を通じて分析対象物Ｄへと流れる。すなわち、分析対象物Ｄ中の電子の移動を介して、絶縁性接着層３０により電気的に非接続とされた半導体層２０ａとウェルアレイプレート１０とが電気的に接続される。一方、他のウェル１１において酵素反応が生じていない場合には、分析対象物Ｄが電子伝達媒体として機能しないので、上記のような電子の流れは生じない。このように、電気化学計測型マイクロアレイ１によれば、電気化学センサ２０に励起光が照射され、かつ、特定のウェル１１内の分析対象物Ｄ中においてある種の酸化還元反応が起こった場合には、半導体層２０ａ、分析対象物Ｄおよびウェルアレイプレート１０が電気的に接続される。したがって、電子の流れから電流値という形で酵素反応の有無を調べることができる。なお、印加するバイアス電圧はゼロであっても、接合の内蔵電位により生じる光起電力で電流を生成することが可能であり、より単純な回路で測定が可能である。
【００２７】
半導体層２０ａは、励起光が照射されない暗状態の部分ではキャリア密度が低く、高抵抗状態となって、スイッチのＯＦＦに相当する状態となる一方で、励起光が照射された部分（領域４８）ではキャリア密度が増加し、低抵抗状態となってスイッチのＯＮに相当する状態となる。上述のスイッチング特性を光の照射位置を移動することで制御して、アンペロメトリックによる化学種濃度の２次元測定を行うことが可能となる。励起光照射手段から細く集光した励起光を照射することによって、各ウェル１１直下の領域４８のみを電子移動の容易なＯＮ状態にして、その周囲をＯＦＦ状態にできる。このため、励起光の照射位置を移動させてウェル１１ごとに測定を行うことができる。しかも、作用極（ＷＥ）と、対極（ＣＥ）とを接続する電気回路を構築するだけで簡単に分析対象物Ｄの計測を行うことができる。
【００２８】
この実施形態は、メディエータ型酵素センサと呼ばれるもので、可逆的な酸化還元反応を起こす物質をメディエータとして用いて、酸化酵素により基質４２が生成物４３に変化する際に生成する電子を酸化型メディエータ４４が受け取って還元型メディエータ４５となり、半導体層２０ａへ受け渡すことで検出する手法である。このような手法によって、たとえば、フェロセンをメディエータ、グルコースオキシダーゼを酵素として、基質４２であるグルコースの濃度を選択的に測定することが可能となる。また、酵素４１及び基質４２の濃度を一定とすることで酵素４１の活性を測定することも可能である。酵素阻害剤などの混入により酵素４１の活性が低下した場合、酵素反応の副生産物として生成される還元型メディエータの量も減少するため、観測される酸化還元電流の低下として測定される。このような手法によって、たとえば、フェリシアン化物イオンをメディエータ、アルコールデヒドロゲナーゼを酵素として、ピラゾールなどの酵素阻害剤の阻害率を測定することが可能となる。メディエータにはフェロセンのほか、フェリシアン化カリウム／フェロシアン化カリウム、ベンゾキノン、ジクロロフェノールインドフェノールなども利用可能であり、これらを介した化学反応の測定が可能である。この実施形態におけるセンサが動作する溶液の最小の構成は、次の２種類の内のいずれかである。１つは還元型メディエータ４５と支持塩であり、もう１つは還元型メディエータ４５と酸化型メディエータ４４である。還元型メディエータ４５は作用極２３側で、支持塩または酸化型メディエータ４４は対極１０側で電流を維持するために必要になる。支持塩または酸化型メディエータ４４が十分に含まれる状態であることを条件に、回路全体の電流値を決める要件として還元型メディエータ４５の濃度ｘの冪乗に比例した酸化還元電流ｉが流れる。これを式で表すと、ｉ＝ａ・ｘｂ（ａ及びｂは定数）となる。
【００２９】
さらに、別の応用としてイオンチャネルの構造をセンサ表面に導入することによって、電気化学活性をまったく持たない検出対象についても検出が可能になる。例えば、半導体層２０ａの表面に電気化学活性を持たない検出対象の受容体を末端に持つ脂質によって単分子膜を形成したうえで、観測系にたとえばフェロセンなどの酸化還元物質を加えておく。検出対象が存在しないときには脂質の間隙を通って酸化還元物質がセンサ表面へ出入りすることで酸化還元電流が流れる。検出対象が存在する場所では半導体層２０ａ表面の受容体に検出対象が結合し、半導体層２０ａの表面を塞ぐ形となる。このため、酸化還元物質がブロッキングされて酸化還元電流が流れなくなる。このような構成のもと、光スポットを掃引することによって、検出対象が存在する位置を特定することが可能となる。
【００３０】
上記イオンチャネル構造によって、例えば、半導体層２０ａの表面の受容体を相補的ＤＮＡとして所望のＤＮＡを検出するセンサ、半導体層２０ａの表面の受容体をグルタミン酸受容体としてグルタミン酸を検出するセンサ、あるいは半導体層２０ａの受容体をプロタミンとしてヘパリンを検出するセンサ等を実現することができる。電気化学計測型マイクロアレイ１は、これら多種類の相補的ＤＮＡや受容体をセンサ表面の導電性ウェルアレイプレート１０のウェル１１に個別に固定化することができるため、多種類の検出対象を１枚のセンサで測定するシステムの構築が可能となる。
【００３１】
図３は、第１実施形態の各種変形例に係る電気化学計測型マイクロアレイ（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ）の図１（１Ｂ）と同様のＡ−Ａ線縦断面図をそれぞれ示す。
【００３２】
図３（３Ａ）に示す電気化学計測型マイクロアレイ１ａは、図１に示す電気化学計測型マイクロアレイ１のウェルアレイプレート１０の表面に絶縁性被膜１３を形成している点で、電気化学計測型マイクロアレイ１と異なる。この絶縁性皮膜は複数の細孔１３ａを有することにより、細孔１３ａを通じてウェル１１の内側と外側との間を電気的に導通することができる。微量な容積のサンプルを用いて電気化学測定する際に、測定対象の電流に重畳して妨害となる電流が発生する場合がある。本変形例では、ウェルアレイプレート１０の表面を絶縁性被膜１３で被覆することにより、対極にウェル１１内のイオンが接触するのを防止して測定電流のバックグラウンドを低下させることができる。絶縁性被膜１３はできるだけ薄い方がコンデンサとしての静電容量を増加させることができるため好ましい。細孔数やその大きさも妨害電流の影響を十分に低減できるまで小さくすることが好ましく、ステンレスの性質を評価するための孔食電位測定方法（ＪＩＳ０５７７：２０１４）と同様の手法で細孔数及びその大きさを評価することができる。絶縁性被膜１３の作製は、好ましくは陽極酸化法等により作製することができる。この方法は、例えば、ステンレス、アルミニウム又はチタンなどの金属を電解質溶液中に浸し、金属を陽極（正極）として通電することにより作製するものである。陽極酸化被膜層の厚さは、通常、印加した電圧に比例して厚くなるため、上述した孔食電位を測定することにより、好ましい厚さを設定することができる。
【００３３】
また、図３（３Ｂ）に示す電気化学計測型マイクロアレイ１ｂは、絶縁性材料で構成されたウェルアレイプレート１０’の少なくとも一部表面に、この図ではウェルアレイプレート１０’のほぼ表面全体に、ウェル１１の内側と外側との間を導通可能な第１導電層１４を備える点で、上述した電気化学計測型マイクロアレイ１および１ａとも異なる。
【００３４】
さらに、図３（３Ｃ）に示す電気化学計測型マイクロアレイ１ｃは、絶縁性材料で構成されたウェルアレイプレート１０’を構成するハニカム本体の下部に、ウェル１１の内側と外側との間を導通可能な第２導電層１５を備える点で、図３（３Ｂ）に示す電気化学計測型マイクロアレイ１ｂと異なる。第２導電層１５は、ハニカム本体１６を薄くスライスした形態を有しており、全てのウェル１１に対して底部から同一の高さに位置する。第２導電層１５は、ウェル１０’の長さ方向のいずれかの位置に、ウェル１１の内側と外側との間を導通可能に備えられてもよい。ウェル１１内の分析対象物Ｄの量を少なくできる点では、第２導電層１５を導電性ウェルアレイプレート１０’の下部に設ける方が優位である。一方、第２導電層１５と金属層２４との短絡を防止できる点では、第２導電層１５を導電性ウェルアレイプレート１０’の厚さ方向の途中に設ける方が優位である。第２導電層１５の形成高さは、ウェル１１内の分析対象物Ｄの量と短絡リスクとを勘案して決めるのが望ましい。
【００３５】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態において、第１実施形態と共通する部分については、同じ符号を用いて、適宜、その説明を省略する。
【００３６】
図４は、本発明の第２実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイの図１（１Ｂ）と同様のＡ−Ａ線縦断面図（４Ａ）および当該（４Ａ）の電気化学計測型マイクロアレイのウェル内に液状の分析対象物を入れた状態の縦断面図とその一部Ｂの拡大模式図（４Ｂ）をそれぞれ示す。
【００３７】
第２実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイ１ｄは、ｐｎ接合型半導体の層２０ｄ（ここでは、単に、「半導体層２０ｄ」という）を備えた電気化学センサ２０を備える。この実施形態において、電気化学センサ２０は、半導体層２０ｄの下面（ウェル１１と反対側の面）に、透明導電膜２６、ガラス層２５をその順に積層して成る。半導体層２０ｄは、透明導電膜２６側から、ｎ型半導体層２７、ｐ型半導体層２８の順に積層されている。ｎ型半導体層２７とｐ型半導体層２８とを積層させた半導体層２０ｄは、第１実施形態の無機半導体層２０ａと同様の機能を有する。すなわち、レーザー発振機４０（励起光照射手段の一例）から各ウェル１１の底部位置にレーザー光（励起光の一例）を照射すると、半導体内部でキャリアが生成してｐｎ接合の内蔵電位により光励起電流が生成するため、ｎ型半導体層２７からｐ型半導体層２８に電流が流れる領域４８が生じる。このように、ｎ型半導体層２７とｐ型半導体層２８とをｐｎ接合した半導体層２０ｄは、光導電性薄膜として機能すると共に光起電力を生成する。なお、ガラス層２５は、必ずしも設けなくとも良い。また、ｎ型半導体層２７に別の形態の電極を接続でき、かつｐ型半導体層２８の直下位置に光を照射可能であれば、透明導電膜２６をｎ型半導体層２７の下面に形成しなくとも良い。
【００３８】
この実施形態では、ウェルアレイプレート１０と対向する側に位置する層であってウェル１１の底部として機能する半導体層２０ｄの一構成層はｐ型半導体層２８である。ただし、半導体層２０ｄのｎ型半導体層２７とｐ型半導体層２８とを上下逆に積層した場合には、上記一構成層はｎ型半導体層２７となる。
【００３９】
２．電気化学計測型マイクロアレイの製造方法
＜第１実施形態＞
次に、本発明の第１実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイの製造方法について説明する。この実施形態において、前述の電気化学計測型マイクロアレイの各実施形態と共通する部分については、同じ符号を用いて、適宜、その説明を省略する。
【００４０】
図５は、図１の電気化学計測型マイクロアレイの製造方法のフローを示す。
（ａ）ｐｎ接合型半導体層の作製工程（ステップＳ１００）
まず、ｎ型半導体２２側の片面に、熱酸化による酸化膜５１を形成した後、ｐ型半導体層をアレイ状に形成するため、例えば成膜、エッチング、フォトリソグラフィー技術などを組み合わせた既知の半導体プロセスにより、マイクロアレイのウェルの底面に対応する位置の酸化膜５１を除去する。  
【００４１】
（ｂ）次に、このアレイ状に形成された穴に不純物を含んだ酸化膜５２を形成する。例えば、Ｂ２Ｏ３を含む有機溶剤ＰＢＦを滴下し、スピン塗布装置を用い遠心力を利用して均一な厚さを持つ被膜を作製する。これを熱拡散炉に入れ、拡散炉内に雰囲気ガスを流し込み、２００〜３００℃の温度で３０分程度加熱を行うことにより不純物を含んだ酸化膜５２を作製する。
【００４２】
（ｃ）不純物を含んだ酸化膜５２を拡散源として拡散炉内雰囲気ガスを流し、９００〜１１００℃の高温で３０分から１時間半低度加熱を行い、不純物をＳｉＯ２中に拡散させる。その後、熱拡散により表面にできた酸化膜を取り除くためにＨＦ（フッ酸）で洗浄する。
【００４３】
（ｄ）金属層形成工程（ステップ２００）
この後、アレイ状にｐｎ接合（ｎ型半導体２２とｐ型半導体２３の接合）が形成された半導体上に真空蒸着装置で金属のオーミック電極としての金属層２４を取り付ける。金属層２４は、最終的に、電気化学計測型マイクロアレイ１ａの各ウェル１１の底面を形成する。金属層２４の形成方法は、例えば、導電性ウェルアレイプレート１０あるいはそれと同型のガラス製のウェルプレートなどをマスク材として用いて、そこにＡｕ等の金属を蒸着する。なお、金属層２４の形成は、当該金属のターゲット板をスパッタして行うＰＶＤ法の他、ＣＶＤ法によっても実現できる。その後、マスク材を除去すると、マスク材の各貫通孔の位置に金属層２４を形成できる。金属層２４の上記方法以外の形成方法としては、インクジェット等のプリント技術を例示できる。なお、金属層形成工程（ステップ２００）は存在しなくとも良い。
【００４４】
続いて、このようにして作製したｐｎ接合型半導体の層２０ａを含む電気化学センサ２０に，ウェルアレイプレート１０を接着する工程について説明する。
【００４５】
図６は、図５に続く電気化学計測型マイクロアレイの製造方法のフローを示す。
【００４６】
（ｅ）塗布工程（ステップ３００）
まず、ガラス板に代表される平滑性に富む基材８０の片面に、接着剤３０ａを塗布する（ステップＳ３００）。接着剤３０ａは、硬化後に良好な絶縁性を示す硬化性組成物であり、好ましくはシリコーンゴム系硬化性組成物である。接着剤３０ａの基材８０の表面に均一性の高い厚さで塗布するために、スピンコート法による塗布を行うのが好ましい。ただし、接着剤３０ａを、インクジェット法、スプレー法などの他の方法で塗布しても良い。
【００４７】
（ｆ）次に、導電性ウェルアレイプレート１０の貫通孔１２の長さ方向の一開口側に、接着剤３０ａを対向させるように基材８０を配置する。
【００４８】
（ｇ）転写工程（ステップ４００）
次に、基材８０の接着剤３０ａを導電性ウェルアレイプレート１０の厚さ方向片面に接触させて、接着剤３０ａの一部を導電性ウェルアレイプレート１０側に転写する。
【００４９】
（ｈ）接着工程（ステップ５００）
次に、予め製造した電気化学センサ２０の金属層２４側の面に、接着剤３０ａを介して導電性ウェルアレイプレート１０を接着する。
【００５０】
（ｉ）こうして、接着剤３０ａは硬化して接着層３０となり、各貫通孔１２の底部を金属層２４によって封鎖した各ウェル１１を備えた電気化学計測型マイクロアレイ１が完成する。
【００５１】
このように、この実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイの製造方法は、ｐｎ接合型半導体の作製工程（ステップＳ１００）と、金属層２４の形成工程（ステップＳ２００）と、接着剤３０ａを基材８０の片面に塗布する塗布工程（ステップＳ３００）と、基材８０の接着剤３０ａの側を導電性ウェルアレイプレート１０に接触させて、接着剤３０ａを導電性ウェルプレート１０側に転写する転写工程（ステップＳ４００）と、導電性ウェルアレイプレート１０の接着剤３０ａの側に、電気化学センサ２０の半導体層２０ａの一構成層（金属層２４）の側を接着する接着工程（ステップＳ５００）と、を含む。この製造方法では、接着剤３０ａを、直接、導電性ウェルアレイプレート１０に塗布せず、一旦、基材８０に塗布した後、導電性ウェルアレイプレート１０に転写させている。このため、必要以上の接着剤３０ａを導電性ウェルアレイプレート１０に供することなく、ウェル１１の底面を広い面積で露出させた電気化学計測型マイクロアレイ１を歩留まり良く製造できる。
【００５２】
３．酸化還元電流測定装置
図７は、第１実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイを含む酸化還元電流測定装置の模式図を示す。
【００５３】
本発明の各実施形態に係る電気化学計測型マイクロアレイ１は、図７に示す酸化還元電流測定装置（以後、単に、測定装置とも称する）の一部に接続される。これは、他の電気化学計測型マイクロアレイ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄについても同様である。測定装置は、電気化学計測型マイクロアレイ１と、電流／電圧変換増幅器８１と、コンピュータ８２と、励起光照射手段としてのレーザー発振装置８６（図２および図４のレーザー発振機４０と同様の装置）と、レーザー発振装置８６を制御するレーザー制御装置８５と、ガルバノミラー８７と、レンズ８８と、ミラー制御装置８９とを備える。測定に際し、電流／電圧変換増幅器８１に接続される作用極（ＷＥ）はｎ型半導体２２に接続される。また、電流／電圧変換増幅器８１に接続される対極（ＣＥ）は導電性ウェルアレイプレート１０に接続される。レーザー発振装置８６から、電気化学計測型マイクロアレイ１のｎ型半導体２２の裏面に、ガルバノミラー８７を制御しながらレンズ８８で集光した励起光を照射することにより、局所的な酸化還元電流を二次元画像として測定可能である。ガルバノミラー８７は、コンピュータ８２を通じてミラー制御装置８９により制御可能である。コンピュータ８２は、Ａ／Ｄ変換器８３およびＤ／Ａ変換器８４を備える。Ａ／Ｄ変換器８３は、電流／電圧変換増幅器８１からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。
【００５４】
酸化還元電流の測定は、パルスボルタメトリに準拠した測定手順により行うことができる。パルスボルタメトリは、ステップ状の電位を印加して非ファラデー電流を回避して測定する手法であるが、本発明では外部印加バイアスをゼロとしてＬＡＡＳの内部起電力（すなわち、ｐｎ接合の内蔵電位による光起電力）のみで測定するため、矩形波制御した励起光のＯＮ−ＯＦＦの切り替えに同期して測定を行う。
【００５５】
図８は、酸化還元電流の測定方法を示す。
【００５６】
レーザー発振装置８６から励起光を照射すると電気二重層の充放電による過渡応答が生じることがわかっているため、励起光照射から４０ｍｓ経過した後の２０ｍｓ間で平均化し、ＯＮ期とＯＦＦ期の差分を酸化還元電流とすることができる。
【００５７】
［作用効果］
本発明の電気化学計測型マイクロアレイ１は、電流計測型の電気化学センサ２０と、電気化学センサ２０上に接合されてなるウェルアレイプレート１０とを備える。ウェルアレイプレート１０は、液状の分析対象物Ｄを個別に入れるウェル１１に対応する複数の貫通孔１２を備え、電気化学センサ２０は、ウェル１１の底部と導通可能なｐｎ接合型半導体層２０ａを備えている。そして、ウェルアレイプレート１０は、ウェル１１内に存在する分析対象物Ｄの酸化還元反応が生じる際に、ｐｎ接合型半導体層２０ａ、分析対象物Ｄ、ウェル１１の内側および外側の経路を電流が流れるように電気化学センサ２０と接合して成る。このｐｎ接合接合型半導体層２０ａを用いる構成は、ショットキー接合と比べて、内蔵電位が大きいため、光起電力により生じるセンサ−水溶液界面の電界を大きくすることができる。また、外部量子効率が高いため、酸化還元電流に寄与するキャリアをより多く生成し、観測電流を大きくすることができる。さらに、ｐｎ接合の構造を反転することで、電流の向きを逆転することが容易であり、酸化反応、還元反応のいずれを検出するか選択が可能である。ショットキー接合の金属は平滑な半導体表面に温和な条件で堆積させるため物理的に剥離しやすい状態となるが、ｐｎ接合ではシリコンと合金を作るオーミックコンタクトを形成するため、剥離などが起きにくく、水溶液中での繰り返し測定に適しているという有利な作用効果を有する。
【００５８】
次に、本発明について、上述した第１実施形態および第２実施形態にかかる電気化学計測型マイクロアレイの具体的な製造例を記載する。ただし、本発明は、以下の製造例に限定されるものではない。
【００５９】
（第１実施形態にかかる電気化学計測型マイクロアレイの製造例）
（１）電気化学センサの作製
基板洗浄、熱酸化、フォトリゾグラフィ、酸化膜エッチング、ボロンドープ及び電極形成を順に行った。基板は２ｃｍ×２ｃｍの大きさに切断したｎ型Ｓｉ（抵抗率３０〜６０Ωｃｍ）を用いた。洗浄は切断したＳｉ基板をアセトン、メタノールによる超音波洗浄を１０分間行った後、蒸留水でリンスを行い、再びメタノールで超音波洗浄を１０分間したのち、最後にアセトンでリンスした。
【００６０】
洗浄後、ＳｉＯ２層形成のため試料を管状電気炉内で１０００℃、９０分間の熱酸化を行った。次に、アレイ状にドープするためのフォトリソグラフィーを行った。フォトレジストＯＦＰＲ５０００ＬＢ（東京応化）の塗布は５００ｒｐｍで１０秒間、３０００ｒｐｍで３０秒間スピンコートを行い、箱型電気炉内で８０℃、２０分間のプリベークを行った。フォトマスクには直径０．９ｍｍ、間隔２．５４ｍｍのユニバーサル基板を用いて、５０秒間のＵＶ照射により露光を行った。露光後、現像液ＮＭＤ−３（東京応化）で現像を行った。蒸留水でリンスした後、箱型電気炉内で１２０℃、２０分間の本ベークを行った。
【００６１】
次に、酸化膜を４．６％フッ酸でエッチングを行い、アレイ状に酸化膜の除去を行った。アセトンでフォトレジストを除去した後、Ｂ（ボロン）塗布剤ＰＢＦ（東京応化）の塗布を５００ｒｐｍで１０秒間、４８００ｒｐｍで３０秒間行った。その後、ホットプレートで１時間プリベークを行い、管状酸化炉内で酸素雰囲気（流量２００ｃｃ）、６００℃、３０分間ベークを行い、続けて窒素雰囲気（流量２００ｃｃ）、１０００℃で拡散を行った。
【００６２】
（２）電気化学計測型マイクロアレイの作製
上記の電気化学センサとウェルアレイプレートとを図６に例示する製法によって接着し、電気化学計測型マイクロアレイを作製した。ウェルアレイプレートの主材料として、電子回路用ユニバーサル基板（材料：ガラスエポキシ樹脂、ウェル直径：０．９ｍｍ、容量：１．２μｌ、ウェルピッチ：１．２７ｍｍ）を用いた。電子回路用ユニバーサル基板は、ウェルごとにスルーホール電極を有しており、通常は個別に絶縁状態であるが、本実施例では基板表面全体を金属膜で覆うことで導電性を付与し、全ウェル共有の対極として使用した。具体的には、基板表面にＡｕを真空蒸着法によって被覆したものを用いた。また、接着剤として、弾性接着剤スーパーＸクリア（セメダイン社製）を用いた。
【００６３】
まず、接着剤をスピンコート法によりガラス基材に塗布して、接着層を形成した。スピンコートの時間と回転数は、５００ｒｐｍ×１０ｓ、および４５００ｒｐｍ×９０ｓとした。次に、接着層をガラス基材からウェルアレイプレートの片面に転写して、ウェルアレイプレート上に接着層を積層させた。次に、ウェルアレイプレートと接着層とからなる積層体の接着層を電気化学センサとの間に介在させて、電気化学計測型マイクロアレイを作製した。
【００６４】
（第２実施形態にかかる電気化学計測型マイクロアレイの製造例）
（１）電気化学センサの作製
ガラス基板、ＩＴＯ膜、ｎ型有機半導体膜およびｐ型有機半導体膜をこの順に積層して図４に示すような有機半導体ＬＡＡＳの電気化学センサを作製した。縦横の長さが２０ｍｍ×２０ｍｍにカットされたガラス／ＩＴＯ透明電極（ＧＥＯＭＡＴＥＣ社製、抵抗値５Ω／ｓｑ、膜厚０．７ｍｍ）のＩＴＯ面に、ｎ型有機半導体の材料としてペリレン−３，４，９，１０−テトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、ｐ型有機半導体の材料として銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）を順に２０ｎｍずつ真空蒸着させることにより作製した。
【００６５】
（２）電気化学計測型マイクロアレイの作製
上記の電気化学センサとウェルアレイプレートとを、第１実施形態と同様の方法により接着し、電気化学計測型マイクロアレイを作製した。
【符号の説明】
【００６６】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ・・・電気化学計測型マイクロアレイ（マイクロアレイ）、１０，１０’・・・ウェルアレイプレート、１１・・・ウェル、１２・・・貫通孔、１３・・・絶縁性被膜、１３ａ・・・細孔、１４・・・第１導電層、１５・・・第２導電層、２０・・・電気化学センサ、２０ａ・・・半導体層（ｐｎ接合型半導体の層）、２２・・・ｎ型半導体、２３・・ｐ型半導体、２４・・・・金属層、２６・・・透明導電膜、２７・・・ｎ型半導体層（一構成層）、２８・・・ｐ型半導体層（一構成層）、３０・・・絶縁性接着層、３０ａ・・・接着層、８０・・・基材、Ｄ・・・分析対象物。
【図１】
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【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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