(57)【要約】      （修正有）【課題】尿などの液体試料の流れを良くし、液体試料中の基質の量やそれらの比率を簡便で、高精度に、かつ再現性良く計測するバイオセンサを提供する。【解決手段】複数の薄膜に、流路１７を形成し、流路１７内に所定の酵素をビーズ５に固定して、ビーズ５を留置する反応部６または参照部７内で、液体試料などの流れがスムーズに流れるように配列用ピラー８２を配置し、流出防止用の留置用ピラー８１を配置する。熱型センサとしての動作では、反応部６に温度センサ、参照部７に参照用温度センサ２０Ｒを備え、被検出用液体試料が、薄膜に設けてある流路１７を通って反応部６と参照部７に到達し、特定基質成分が、酵素との接触熱反応での発熱量による温度変化で、反応部６と参照部７との差動検出を利用して、体液試料中の特定基質成分の量とこれらの比率等に関する情報を得る。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１個の流入口から流入された液体試料中の特定の基質成分を、該基質成分に対応する酵素との触媒作用に基づいて検出するバイオセンサであって、流路中の反応部に表面酵素固定用のビーズを留置できるようにする留置用ピラーを有すること、前記反応部内で前記ビーズを配列させるための配列用ピラーを有すること、を特徴とするピラー配置バイオセンサ。
【請求項２】
前記留置用ピラーの間隔は、前記ビーズの直径よりも小さくなるようにし、配列用ピラーは、前記ビーズ同士がくっ付きあっても、前記液体試料の流れが生じる隙間が存在するようにピラー配置して、前記液体試料の流れが前記ビーズにより堰き止められないように構成した請求項１記載のピラー配置バイオセンサ。
【請求項３】
前記配列用ピラーのピラー配置において、前記配列用ピラー間の前記液体試料の流れ方向に直交した方向における内側の間隔を、前記ビーズの直径の整数ｎ倍と整数（ｎ＋１）倍の間になるように構成して、前記隙間が存在するようにした請求項２記載のピラー配置バイオセンサ。
【請求項４】
前記基質成分に対応する酵素との触媒作用に基づいて検出するバイオセンサとして、カロリメトリック手法による請求項１から３のいずれかに記載のピラー配置バイオセンサ。
【請求項５】
基板から熱分離し、並列に接続された複数個の薄膜に、前記液体試料が分流して通る流路である第１の流路、第２の流路等がそれぞれ形成されていること、それぞれの同一の第１の流路、第２の流路等内に、それぞれ1個の反応部である第１の反応部、第２の反応部等とこれらの反応部と熱的に略同等な１個の参照部である第１の参照部、第２の参照部等とが、各前記薄膜の中央部に対して略対象な位置にそれぞれ直列に接続されていること、前記第１の反応部、第２の反応部等には、それぞれ対応する第１の温度センサ、第２の温度センサ等を具備し、参照部には酵素を固定せずに参照用温度センサを具備していること、それぞれの反応部である第１の反応部、第２の反応部等には、特定の異なる前記基質成分にそれぞれ対応する所定の異なる酵素を固定していること、前記第１の温度センサ、第２の温度センサ等のそれぞれの前記反応部での反応熱に基づく温度変化を、前記参照用温度センサを基準として計測し、それぞれの前記基質成分の量の情報、もしくは、それらの量の比較可能な情報を取得できるように構成した請求項４記載のピラー配置バイオセンサ。
【請求項６】
基板から熱分離し、並列に接続された複数個の薄膜に、前記液体試料が分流して通る流路である第１の流路、第２の流路等がそれぞれ形成されていること、それぞれの流路である第１の流路、第２の流路等内に、それぞれ1個の反応部である第１の反応部、第２の反応部等が形成していること、前記第１の反応部、第２の反応部等のうちの1つを参照部として利用すること、それぞれ対応する第１の温度センサ、第２の温度センサ等を具備し、前記参照部には、酵素を固定せずに参照用温度センサを具備していること、それぞれの反応部である第１の反応部、第２の反応部等には、特定の異なる前記基質成分にそれぞれ対応する所定の異なる酵素を固定していること、前記第１の温度センサ、第２の温度センサ等のそれぞれの前記反応部での反応熱に基づく温度変化を、前記参照用温度センサを基準として計測し、それぞれの前記基質成分の量の情報、もしくは、それらの量の比較可能な情報を取得できるように構成した請求項４記載のピラー配置バイオセンサ。
【請求項７】
前記薄膜の各反応部に、ヒータを形成してあり、前記反応部を加熱できるように構成した請求項４から６のいずれかに記載のピラー配置バイオセンサ。
【請求項８】
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量もしくは前記２つの基質成分の量の比率に関する情報を得ることができるように構成した請求項１から７のいずれかに記載のピラー配置バイオセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体試料中の特定成分、例えば、基質であるグルコースなどの量に関する情報を得るのに、それに選択的に対応する酵素、例えば、グルコースオキシダーゼなどを流路内の反応部に固定して、特定成分と対応する酵素との選択的な接触触媒反応を利用して、電流変化（アンペロメトリック手法）や反応熱による温度上昇変化（カロリメトリック手法）を利用するバイオセンサで、特定成分の量を知るようにした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。更に、本願発明者は、液体試料を流す流路内に反応部を設けて、酵素を留置する方法として、反応部にピラーを形成して、液体試料や洗浄液の流れによって、表面に酵素を固定してあるビーズ（例えば、ポリスチレンビーズ）が、ピラーというビーズの流れのストッパーとして作用させてビーズが流出しないようにしていた（特許文献２）。
【０００３】
しかしながら、ポリスチレンなどのビーズの表面に酵素を固定している固体薬品層（化学処理した酵素結合膜）が、粘つくために酵素固定したポリスチレンなどのビーズ同士がくっつき合い、塊となって液体試料の流れを妨げてしまうことや、流れの制御が困難になるという問題が生じていた。
【０００４】
また、従来、酵素を利用して、尿などの液体試料中の基質、例えば、尿糖などを酵素としてのグルコースオキシダーゼと流路を通して触媒反応させて、その時の電極間に所定の電位を与えて、応答電流を計測する、所謂、電気化学的手法（アンペロメトリック手法または、ポテンショメトリック手法）により計測している。しかしながら、電気化学的手法の中のアンペロメトリック手法（特許文献３）では、グルコースオキシダーゼなどの酸化還元酵素反応により発生する電流の計測により液体試料中のグルコースなどの基質の特定とその量を計測するもので、タンパクの加水分解反応の検出や多項目成分の同時検出が極めて困難である。また、ポテンショメトリック手法では、イオン感応FET(ISFET)などを用いて電位変化を計測し、特定酵素との反応による基質選択性の利用で基質の特定し、ISFETの電流変化からその量を計測することも報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特願２０１６−９７１５１
【特許文献２】特願２０１６−２５５４３１
【特許文献３】特開２０１０−５４３７９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来の上述の問題点を解消するために改良したもので、流路中の反応部への酵素固定ビーズを用いる固定法において、尿などの液体試料が、反応部中をスムーズに流れるようにするようにピラーの配置を工夫したピラー配置バイオセンサであり、液体試料中の生体由来の微少の基質とそれに（選択的に）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）による温度変化分の計測であるカロリメトリック手法の計測でも、上述の電気化学的手法による計測にも適用できるような小型で、高感度かつ高精度の計測が可能なピラー配置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】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わるピラー配置バイオセンサは、少なくとも１個の流入口から流入された液体試料中の特定の基質成分を、該基質成分に対応する酵素との触媒作用に基づいて検出するバイオセンサであって、流路中の反応部に表面酵素固定用のビーズを留置できるようにする留置用ピラーを有すること、前記反応部内で前記ビーズを配列させるための配列用ピラーを有すること、を特徴とするものである。
【０００８】
本ピラー配置バイオセンサの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程度の架橋構造状や、必要に応じて、カンチレバ状の薄膜などで構成した方が好都合なことが多い。また、これを用いて酵素固定バイオセンサチップを提供すると、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、高感度で高精度の第１の温度センサ、第2の温度センサ、参照用温度センサなどを熱電対で構成するときに半導体薄膜熱電対が利用できるなど、好都合である。また、尿などの液体試料を流す流路やその中に形成される反応部およびピラーは、例えば、１００マイクロメートル（μｍ）程度の膜厚を厚く形成でき、耐熱性のあるフォトレジストであるSU-8などを用いてパターン化すると良い。
【０００９】
従来、酵素固定ビーズを反応部内に留置させるために、例えば、約５００μｍ角で、高さ約５０μｍの内容積の反応部の流出口付近に、直径約４０μｍ、高さ約５０μｍのピラーを１５μｍの隙間を持つように配置し、直径２０μｍのビーズが流れ出ないように、液体試料の流れに対してほぼ直交するように一列にストッパーとして留置用ピラーのみを配置していたが、反応部の中では、ビーズを配列させるようなピラーがなく、粘着性のある酵素固定の薬品層がビーズの表面にコーティングされているために、ビーズ同士がくっつき合い、ビーズ同士が塊となって反応部内の液体試料などの液体の流れを妨げるなど、流れに再現性の問題や流速のバラツキの原因になっていた。
【００１０】
本発明のピラー配置バイオセンサでは、流路中の反応部に表面酵素固定用のビーズを留置できるようにした従来のように留置用ピラーを形成すると共に、反応部内でビーズを配列させて、液体の流れがスムーズになるようにピラーを配置するための配列用ピラーを形成したことが特徴である。
【００１１】
本発明の請求項２に係わるピラー配置バイオセンサは、前記留置用ピラーの間隔は、前記ビーズの直径よりも小さくなるようにし、配列用ピラーは、前記ビーズ同士がくっ付きあっても、前記液体試料の流れが生じる隙間が存在するようにピラー配置して、前記液体試料の流れが前記ビーズにより堰き止められないように構成した場合である。
【００１２】
ポリスチレン（ＰＳ）などのビーズ上に、タンパク質である酵素を固定するのに、例えば、多孔質膜内に酵素を含有させるなどの物理的固定では、触媒作用をする酵素は失活しなければ多数回使用できるのに、洗浄などでも流出してしまう可能性が大きい。したがって、化学的な結合をさせてＰＳなどのビーズ上に酵素を固定した方が良い。このために、ＰＳビーズ上に酵素の固定法として、例えば、カルボキシル基コートのＰＳビーズ上に、薬品ＥＤＡＣなどを化学反応させて、更に酵素のタンパク質として持つアミノ基を利用して酵素を化学的に結合させる化学処理した酵素結合膜をＰＳビーズ上に固定する方法が利用できる。このような化学的処理による酵素固定法は、結合が強いので、酵素が流出するなどの心配がない。しかしながら、上述のように、化学処理した酵素結合膜は、柔らかく粘々しているので、酵素結合膜同士が接触するとくっ付き合い、酵素結合膜をもつＰＳビーズ同士が流路を塞いでしまうという問題があった。この解決法として、本発明では、配列用ピラーは、前記ビーズ同士がくっ付きあっても、前記液体試料の流れが生じる隙間が存在するようにピラー配置するものである。ビーズとして、必ずしもポリスチレンとは限らず、ガラスやアルミナなどでも良い。
【００１３】
本発明の請求項３に係わるピラー配置バイオセンサは、前記配列用ピラーのピラー配置において、前記配列用ピラー間の前記液体試料の流れ方向に直交した方向における内側の間隔を、前記ビーズの直径の整数ｎ倍と整数（ｎ＋１）倍の間になるように構成して、前記隙間が存在するようにした場合である。
【００１４】
ビーズは、ピラーに衝突してその動きが制限されるので、尿などの液体の流れに直交する方向のピラーとピラーとの内側の間隔が、例えば、ビーズ直径の整数倍であるとビーズ同士がくっつき合って液体の流れを止めてしまうことが起きる可能性がある（ここでは、ビーズ表面に固定している酵素とそれを固定している薬品層の厚みはせいぜい数μｍ程度と小さいので、これを無視した場合で表現している）。しかし、ピラーの内側の間隔をビーズの直径の整数ｎ倍と整数（ｎ＋１）倍の間になるように構成して配列すれば、必ず、ビーズ直径よりも小さいが、液体が流れる隙間が生じるので、液体の流れがスムーズに流れるようになる。例えば、整数ｎを2とし、ビーズ直径を20μｍとすれば、（ｎ＋１）は、3となり、ピラーの内側の間隔は、４０μｍと６０μｍとの間である、例えば、５５μｍになるようにすれば、ビーズは流れ方向に2列である４０μｍが最大で、３列になることがない。ビーズの並び方により多少の凹凸はあるが、平均して１５μｍ程度の液体が流れる隙間が発生して、液体のスムーズな流れが確保される。
【００１５】
本発明の請求項４に係わるピラー配置バイオセンサは、前記基質成分に対応する酵素との触媒作用に基づいて検出するバイオセンサとして、カロリメトリック手法による場合（熱型センサ）である。
【００１６】
カロリメトリック手法（反応熱の検出手法）では、液体試料中の特定の基質成分を、この基質成分に特異的な選択性を有する酵素をビーズに固定しておき、この酵素との触媒作用の反応熱による温度変化を検出する方法で、基板から熱分離した薄膜に、液体試料が通る流路が形成して、蒸発熱の制限と液体試料の量と流速の調整ができるようにした方が良く、流路内の反応部もしくはその近傍に前記反応熱を検出する温度センサを形成している。また、酵素としては、例えば、基質としての糖（グルース）対応のグルコースオキシダーゼ、タンパク対応のトリプシン、クレアチニン対応のクレアチニナーゼ、ビリルビン対応にはビリルビンオキシダーゼ、乳酸対応には乳酸オキシダーゼなどの特定の基質に選択的かつ特異的に反応する酵素がビーズに固定されている。
【００１７】
本発明の請求項５に係わるピラー配置バイオセンサは、基板から熱分離し、並列に接続された複数個の薄膜に、前記液体試料が分流して通る流路である第１の流路、第２の流路等がそれぞれ形成されていること、それぞれの同一の第１の流路、第２の流路等内に、それぞれ1個の反応部である第１の反応部、第２の反応部等とこれらの反応部と熱的に略同等な１個の参照部である第１の参照部、第２の参照部等とが、各前記薄膜の中央部に対して略対象な位置にそれぞれ直列に接続されていること、前記第１の反応部、第２の反応部等には、それぞれ対応する第１の温度センサ、第２の温度センサ等を具備し、参照部には酵素を固定せずに参照用温度センサを具備していること、それぞれの反応部である第１の反応部、第２の反応部等には、特定の異なる前記基質成分にそれぞれ対応する所定の異なる酵素を固定していること、前記第１の温度センサ、第２の温度センサ等のそれぞれの前記反応部での反応熱に基づく温度変化を、前記参照用温度センサを基準として計測し、それぞれの前記基質成分の量の情報、もしくは、それらの量の比較可能な情報を取得できるように構成した場合である。
【００１８】
ここでは、カロリメトリック手法（反応熱の検出手法）の場合であるので、反応部に留置してある酵素固定のビーズと対応する液体試料中の基質との特異的な反応熱を検出するので、反応部や参照部付近には温度センサが必要である。温度センサとしては、薄膜サーミスタでも良いが、反応部と参照部との温度差を計測することになるので、温度差だけを計測でき、更に熱電材料だけで温度感度が決定される熱電対（サーモパイルも含む）が好適で、しかも熱容量の関係から薄膜熱電対が好適である。液体試料を流す流路は、基板から熱分離した薄膜に形成することにより、同一の反応による発熱量であっても大きな温度変化と高速動作が得られる。
【００１９】
また、ここでは、それぞれの基板から熱分離した複数の並列に配列させた薄膜上のそれぞれ形成してある同一の第１の流路、第２の流路等内に、それぞれの反応部と参照部とを直列接続して配列し、上記同一の流路内で、それぞれの反応部の温度センサと参照部の参照用温度センサとの信号の差動増幅ができるようにしている。これらの反応部と熱的に略同等な１個の参照部とは、各薄膜の中央部に対して略対象な位置にそれぞれ直列に接続されているので、各反応部での反応熱がないと、反応部の温度センサと参照部の参照用温度センサとの信号の差動出力信号は、本質的にゼロになるように構成している。
【００２０】
本発明の請求項６に係わるピラー配置バイオセンサは、基板から熱分離し、並列に接続された複数個の薄膜に、前記液体試料が分流して通る流路である第１の流路、第２の流路等がそれぞれ形成されていること、それぞれの流路である第１の流路、第２の流路等内に、それぞれ1個の反応部である第１の反応部、第２の反応部等が形成していること、前記第１の反応部、第２の反応部等のうちの1つを参照部として利用すること、それぞれ対応する第１の温度センサ、第２の温度センサ等を具備し、前記参照部には、酵素を固定せずに参照用温度センサを具備していること、それぞれの反応部である第１の反応部、第２の反応部等には、特定の異なる前記基質成分にそれぞれ対応する所定の異なる酵素を固定していること、前記第１の温度センサ、第２の温度センサ等のそれぞれの前記反応部での反応熱に基づく温度変化を、前記参照用温度センサを基準として計測し、それぞれの前記基質成分の量の情報、もしくは、それらの量の比較可能な情報を取得できるように構成した場合である。
【００２１】
ここでも、カロリメトリック手法（反応熱の検出手法）の場合であるので、反応部に留置してある酵素固定のビーズと対応する液体試料中の基質との特異的な反応熱を検出するので、反応部や参照部付近には温度センサが必要である。請求項5との大きな違いは、参照部の構成の違いである。請求項5では、同一基板に複数の並列の流路のそれぞれに、反応部と参照部とを設けている場合であるが、本請求項6においては、上記複数の並列の流路の一つを参照部として用いており、したがって、参照部を有する流路以外の流路に酵素固定ビーズを留置する反応部を形成するようにして、異なる流路に形成してある参照部と反応部との間の温度センサ間（すなわち、参照用温度センサとそれぞれの反応部の温度センサとの間）の反応熱に基づく温度変化信号の差動増幅を行えるように構成した場合である。基板から熱分離した薄膜では、同一の加熱に対して、その中央付近が最も温度が高くなるので、その中央部に参照部や反応部を形成できるという利点がある。
【００２２】
本発明の請求項７に係わるピラー配置バイオセンサは、前記薄膜の各反応部に、ヒータを形成してあり、前記反応部を加熱できるように構成した場合である。
【００２３】
生物由来物質の基質とそれに対応する酵素とのそれぞれの組み合わせにおいては、それぞれの接触触媒熱反応には、最適な環境温度が有り、多くの場合、人間の体温付近の３５℃から４０℃程度であり、一般の室温である２０℃より高い温度である。このような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、外部にヒータを設置して、流路を持つ前記薄膜を所定の均一な温度分布となる温度設定できるようにすると良い。本発明では、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場合である。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役立てるようにしている。例えば、所定のワット数である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、その経時変化による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、経時変化後のその成分の量の校正もできる。
【００２４】
本発明の請求項８に係わるピラー配置バイオセンサは、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量もしくは前記２つの基質成分の量の比率に関する情報を得ることができるように構成した場合である。
【００２５】
ピラー配置バイオセンサの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基板から成るバイオ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、ハンディタイプのピラー配置バイオセンサを提供することができる。もちろん、これらの回路をピラー配置バイオセンサの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、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。
【００２６】
上述の薄膜として架橋構造を採用すると、薄膜の安定な保持が達成されると言う利点があると共に、後述するように、バイオセンサチップを何回も使用するには、流路内を洗浄する必要がある。この場合、流路を通して、例えば、尿や血液などの液体試料を流し、熱反応後、バイオセンサチップ外に液体試料や洗浄液などを排出させる必要があるので、架橋構造状の構造が好適である。もちろん、薄膜としてカンチレバ状にすると架橋構造状の構造に比して、小型の薄膜で済むが、バイオセンサチップを何回も使用するには、液体試料や洗浄液などを、基板からの熱分離して有る薄膜上で液体試料の蒸発を防ぎながら排出させるには、カンチレバ上の流路をカンチレバの基板支持部に戻す必要があり、構造が複雑になると言う問題もある。
【００２７】
特定基質成分として、尿や血液などの体液中の基質の量と種類の特定では、特定基質成分である基質に対応する酵素を複数のそれぞれの薄膜上の流路内反応部に固定することにより、流入口から注入された液体試料の体液が分配されて、複数の薄膜に形成されているそれぞれの流路中を通って、それぞれの反応部で特定の酵素との触媒熱反応により発熱して、それらの反応部の温度センサと参照用温度センサとの差動出力を取り出すことで、特定の酵素と基質の組合せをほぼ同時に決定できる。例えば、１個の流入口から注入した液体試料が、各薄膜に形成して有る各流路に分流して、それぞれの反応部でそれぞれの特定基質成分の基質に対応するそれぞれの酵素と熱反応して、それぞれの反応部での温度上昇分の計測によりそれぞれの異なる特定基質成分の量の情報や比較可能な情報から量や比率が得られるように構成した場合である。本発明により、液体試料中の種々の基質を同時に計測できるという利点がある。
【００２８】
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、ビーズ固定酵素として、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体液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の温度センサと第２の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量とそれらの比率を、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。
【００２９】
上述では、液体試料として、血液、尿、汗、唾液、涙などの体液中にある特定基質成分としての基質とこれに対する酵素との触媒熱反応でも良いが、液体試料として、例えば、果物中の糖やタンパク質などの少なくとも2種類特定基質成分の量や比率などの情報を、同様にしてそれぞれの酵素との触媒熱反応に基づいて取得することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明のピラー配置バイオセンサでは、流路中の反応部に表面酵素固定用のビーズを留置できるようにした留置用ピラーを有することで、反応部からの酵素固定ビーズの流出を防ぐことができるという利点がある。
【００３１】
本発明のピラー配置バイオセンサでは、反応部内で前記ビーズを配列させるための配列用ピラーを有することで、液体試料や洗浄液などの流れをスムーズにさせることができるという利点がある。
【００３２】
本発明のピラー配置バイオセンサでは、留置用ピラーの間隔は、ビーズの直径よりも小さくなるように構成し、配列用ピラー間の液体試料の流れ方向に直交した方向における内側の間隔は、ビーズの直径の整数ｎ倍と整数（ｎ＋１）倍の間になるように構成してあるので、一般に、ビーズ表面の酵素の化学的固定は、粘度の高い薬品膜に固定してあり、粘つく状態であるが、必ず、前記液体試料の流れる隙間が存在するようにして、前記液体試料の流れが前記ビーズにより堰き止められないように構成できる。したがって、液体試料や洗浄液などの流れをスムーズにさせることができるという利点がある。
【００３３】
本発明のピラー配置バイオセンサは、カロリメトリック手法ばかりでなく、電気化学的手法にも適用できるという利点がある。なお、カロリメトリック手法の場合は、基質と対応酵素との接触熱反応に基づく温度上昇の検出を利用するので、反応部や参照部は、基板から熱分離した薄膜に形成する必要があるが、電気化学的手法を用いた場合は、反応部や必要に応じて設ける参照部は、熱を利用しないので、基板に直に形成しても良い。
【００３４】
本発明のピラー配置バイオセンサでは、カロリメトリック手法に適用した場合、基板から熱分離した薄膜上の同一の流路内に、参照部と反応部とを熱的に対象になるように配置することができるので、高精度のバイオセンサが提供できるという利点がある。
【００３５】
本発明のピラー配置バイオセンサでは、カロリメトリック手法に適用した場合、基板から熱分離した薄膜上の並列配列した流路の一つに、参照部形成し、この流路とは独立した流路に、参照部と同等な構成の反応部を形成して、この反応部に酵素固定ビーズを留置して、熱反応による温度上昇した反応部と熱反応がない参照部との温度差計測をすることで、高感度なバイオセンサが提供できるという利点がある。
【００３６】
本発明のピラー配置バイオセンサでは、カロリメトリック手法に適用した場合、反応部にヒータを形成したことにより、客観的なバイオセンサの校正ができると共に、酵素の失活状況の把握と液体試料中の成分である基質の表示校正が容易にできるという利点がある。
【００３７】
本発明のピラー配置バイオセンサでは、複数の流路を形成し、それぞれの流路内に、異なる酵素を固定しビーズを留置した反応部を形成して、参照部との差動出力信号の差動動作により、各反応部間の2つの基質成分の量の比率に関する情報も得ることができるという利点がある。
【００３８】
本発明のピラー配置バイオセンサでは、流路を密閉構造にしているので、液体試料の蒸発を防ぐと共に、断熱材で囲む構造にすることができるので、微細な温度変化を安定して再現性のある計測をすることができるという利点がある。
【００３９】
本発明のピラー配置バイオセンサでは、流路を洗浄液で洗浄できる構造にしており、計測は基質と酵素との熱反応に基づくが、その酵素は触媒として作用するので、消費するものではなく、本質的に基質の洗浄等を利用すれば、何回でも使用できると言う利点がある。
【００４０】
本発明のピラー配置バイオセンサでは、ＭＥＭＳ技術によりバイオセンサチップやヒータが形成でき、更に電源回路、増幅回路、演算回路および制御回路も集積化しやすく、例えば、モジュール化することによりコンパクトな携帯用のバイオセンサとしても提供できると言う利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来のバイオセンサのバイオセンサチップ１００の一実施例の平面概略図である。（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】本発明のピラー配置バイオセンサのバイオセンサチップ１００の一実施例の平面概略図である。（実施例１）
【図４】本発明のピラー配置バイオセンサのバイオセンサチップ１００の反応部６の一つの反応部６Ａの詳細な構造の様子を示すための拡大平面図で、図4（a）は、酵素固定のビーズ５を留置する前の反応部６の状態、図4（ｂ）は、酵素固定のビーズ５を留置した後の反応部６の状態を示してある。（実施例１）
【図５】本発明のピラー配置バイオセンサの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６】本発明のピラー配置バイオセンサのバイオセンサチップ１００を取扱いしやすいようにモジュール化したバイオセンサモジュール５００の一実施例の断面概略図である。（実施例３）
【図７】本発明のピラー配置バイオセンサ１０００の一実施例の概略図である。（実施例４）
【図８】本発明のピラー配置バイオセンサ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である。（実施例５）
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明のピラー配置バイオセンサにおけるセンサチップは、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、本発明のピラー配置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】
【００４３】
図１は、従来のバイオセンサのバイオセンサチップ１００の一実施例で、基板1から熱分離した複数の薄膜１０の架橋構造１２を有する場合の平面概略図を示す。また、図２は、図１のＸ―Ｘ線に沿った断面概略図である。本実施例でも、第1の温度センサ２０A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、それぞれの熱電対の熱電導体１２０aとして、SOI層（ｎ型半導体層）を共通にして、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。ここでは、単一の薄膜１０を並列に３個並べ、それぞれを架橋構造１２状の薄膜１０a、薄膜１０ｂ、薄膜１０ｃとした場合であり、薄膜１０ｂを参照用センサとした場合の一実施例を示している。ここでは、参照用センサの参照部７には、ビーズを留置していない場合を示している。もちろん、この参照部７にも熱的バランスや液体試料の流れのバランスを良くするために、酵素を固定していないビーズを留置するようにしても良いものであった。
【００４４】
基板１に設けてある１個の流入口１６から注入した液体試料としての、例えば、尿が分配されて、薄膜１０a、薄膜１０ｂや薄膜１０ｃに導入させるそれぞれの流路１７が形成されている。そして、液体試料の尿中の特定基質成分、例えば、タンパク、クレアチニンなどを検出する場合、これらの基質にそれぞれ対応する酵素４A、４Bなどであるトリプシン、クレアチニナーゼなどを薄膜１０aや薄膜１０ｂのほぼ中央部に配してあるそれぞれの反応部６Ａ、６Ｂに上述のビーズ上の酵素固定などで所定の量だけ留置固定しておく。各流路１７をバイオセンサチップ１００の基板１の端部付近で再度合流させて、流出口１８まで誘導するようにしている。更に、駆動手段６１０であるポンプ等で、液体試料や洗浄水等を吸引できるようにしても良い。なお、酵素４は、触媒として使用されるもので、基質との反応で消費されるものではなく、酵素４の固定化により、反応生成物や未反応基質を洗浄水により除去することにより、失活しなければ繰返し使用できるものである。ここでは、単一の薄膜１０を並列に３個だけ並べた場合であるが、もちろん、更に増やしても良い。
【００４５】
図３は、本発明のピラー配置バイオセンサのバイオセンサチップ１００の一実施例で、複数の薄膜１０の架橋構造１２を有する場合の平面概略図を示す。ここでは、同一の液体試料が分流した３つの独立な流路に同等に流れるようにした場合を示している。そして、その中の一つの流路は、従来の図1に示す構造と同様に、参照用にした場合である。また、図4（a）,(b)には、反応部６の一つの反応部６Ａの詳細な構造の様子を示すための拡大平面図で, 図4（a）は、酵素固定のビーズ５を留置する前の反応部６の状態を示し、図4（ｂ）は、酵素固定のビーズ５を留置した後の反応部６の状態を示ある。参照部７にも、酵素４を固定したビーズ５を留置している反応部６Ａ，６Ｂと同様、酵素４を固定しないビーズ５を熱バランスや液体試料の流れのバランスのために、留置している場合である。本発明のバイオセンサの特徴は、反応部６Ａの拡大図である図4（a）,(b)でも流路中の反応部６に表面酵素固定用のビーズ５を留置できるようにする留置用ピラー８１を有すること、反応部内でビーズ５を配列させるための配列用ピラー８２を有することである。これは、上記したように、化学処理した酵素結合膜は、柔らかく粘々しているので、酵素結合膜同士が接触するとくっ付き合い、酵素結合膜をもつビーズ同士が流路を塞いでしまうという問題を解決するためのものである。留置用ピラー８１は、反応部６や参照部７からビーズが流出しないようにするためのものであるが、配列用ピラー８２は、酵素固定用の粘々したビーズ表面の膜が、ビーズ同士をくっ付き合わせて、流路を塞いでしまうことを阻止するために設けたもので、液体試料などが流れるような空隙が生じるように配置したものである。なお、各反応部６や参照部7には、ヒータ２５を形成してある場合でもある。このヒータ25は、所定の電力で加熱して、その発熱応答から酵素４の経時変化や失活状態などを調べ、校正できるようにしたり、反応促進の温度調整にも寄与できるように設けたものである。
【００４６】
更に、ここでは、特徴として、ビーズ注入口１６０の液体試料の流入口１６側の流路内に逆流防止ピラー８３をそれぞれ設けてあり、ビーズ５が、他の反応部６や参照部７に紛れ込まないようにしている。そのためには、逆流防止ピラー８３や上述の留置用ピラー８１のピラー間隔は、ビーズ５の直径よりも小さくなるようにしている。例えば、ビーズ５の直径が、２０μｍの場合には、これらのピラー間隔を１５μｍ程度にしていると良い。例えば、円柱状のピラー８０の直径は、流路の高さにもよるが、流路の高さ５０−１００μｍの場合は、４０μｍ程度で良い。配列用ピラー８２も同様の直径の場合、配列用ピラー８２の液体試料などの流れに沿った直線的配列での内側の間隔を、例えば、ビーズ５の直径の2倍と3倍の間である４０−６０μｍ内にしていることにより、ビーズ５同士がくっ付いても配列用ピラー８２が邪魔をして、液体試料が流れるような隙間を形成してくれる。また、隣り合う配列用ピラー８２の液体試料などの流れに沿った直線的配列のピラー５も、配列用ピラー８２の流れ方向の間隔の隙間位置に対応した向かいの位置に、隣り合う配列用ピラー８２のピラー５を配置するように設計すると、一層、安定した液体試料が流れるような隙間を形成することができる。
【００４７】
また、ＳＯＩ層用絶縁分離溝１１０は、各架橋構造１２の薄膜１０が電気的に並列接続になっている構造を電気的に絶縁独立になるようにして、各流路に形成してある温度センサである各熱電対の一方の熱電導体１２０aであるＳＯＩ層１１を溝状に除去してある。また、基板１の温度を計測するために、基板１にｐｎ接合ダイオード（半導体ダイオード）を形成してあり、基板１の絶対温度を計測するための絶対温度センサ２３として利用している。なお、半導体ダイオードを絶対温度センサ２３として使用する方法は、１５０℃以下の比較的低温である室温の計測では、半導体ダイオードに、一定の順電圧を印加し、その時のダイオード電流の温度依存性から求める方法、一定の電流を流し、その時のダイオード順電圧の温度依存性から求める方法がある。もちろん、絶対温度センサ２３として、測温抵抗体を利用しても良い。
【００４８】
本発明のピラー配置バイオセンサの動作は、基本的には、従来のものと同一である。流入口１６から注入した液体試料の、例えば、尿が分配されて、薄膜１０a、薄膜１０ｂや薄膜１０ｒのほぼ中央部に配してあるそれぞれの反応部６Ａ、６Ｂと参照部７に設置し、ビーズ５に固定したそれぞれの酵素の酵素４Ａ、４Ｂであるクレアチニンに選択的に反応するクレアチニナーゼ、タンパクに選択的に反応するトリプシンなどと最適環境温度下で接触させた時、反応部６Ａ、６Ｂに設置してそれぞれの温度を計測する第１の温度センサ２０A、第２の温度センサ２０Bが、同様に薄膜１０ｒに形成してある参照用温度センサ２０Rであるそれぞれの参照用温度センサ２０Rとのそれぞれの温度差計測により、温度上昇分の温度差ΔＴが認められると、反応部６Ａ、６Ｂのうちの温度差ΔＴが認められた個所に対応するそれぞれ異なる特定基質成分（それぞれ、クレアチニン、タンパクなど）が、尿中に存在する、すなわち、特定されたと言うことになる。そして、それらの温度上昇分の温度差ΔＴの大きさから予め用意した校正データにより、その基質である特定基質成分の量が求められる。例えば、薄膜１０aに形成してある反応部６Ａ（ここには、クレアチニナーゼなる酵素４が酵素４Aとしてビーズ5に固定されている）が、触媒熱反応により発熱して第１の温度センサ２０Ａと参照用温度センサ２０Rとの温度差計測により温度上昇分の温度差ΔＴが所定の大きさ以上に計測されると、その大きさに応じて、尿中のクレアチニンの値が校正データを利用して求められるということである。もちろん、薄膜１０ｂに形成した第２の温度センサ２０Bと参照用温度センサ２０Rとの差動出力により、温度上昇分の温度差ΔＴが所定の大きさで計測されると、その大きさに応じて、尿中のタンパク値が校正データを利用して求められると言うことである。バイオセンサチップ１００等の製作方法や他の作用等も、既知の文献、例えば、文献１に記述の場合と同様なので、ここでは、その詳細な説明については省略する。
【００４９】
例えば、液体試料としての尿中の特定基質成分としてのグルコースなどの基質の量を計測する場合、基板1に設けた流入口１６から流路１７の中に注入した微量の尿を、薄膜１０上を通過して反応部６に導かせ、ほとんどが水分である尿を、毛細管現象や駆動手段で反応部６まで力強く導くためには、流路１７のうち、少なくとも尿に接触する壁面は親水性の材料で形成する方が良い。そのためには、強度を保つために厚膜が形成できて、親水性の感光性レジストで形成することが好適である。また、毛細管現象に依らずに、駆動手段６１０としてのポンプだけを使用して、圧力をかけて強制的に液体試料の押出や吸引排出などをすると、安定した動作が得られるので、むしろ好適である。
【００５０】
本発明のピラー配置バイオセンサのバイオセンサチップ１００に形成してあるビーズ注入口１６０は、ビーズ５を反応部６や参照部７に留置するために設けたものであり、実際の尿などの液体試料や洗浄水などを流路１７内に流して使用する場合は、液漏れの原因になるので、ビーズ５を留置する場合以外は、パッキンで塞ぐようにすると良い。
【実施例２】
【００５１】
図５は、本発明のピラー配置バイオセンサのバイオセンサチップ１００の他の一実施例の平面概略図で、複数の架橋構造１２の薄膜１０を有しおり、１つの流入口１６から流入した液体試料が、並列接続した複数の架橋構造１２の薄膜１０に形成しているそれぞれの流路１７に分流して流れ、また、統合して１つの流出口１８から外部に排出させるようにした場合であり、架橋構造１２の各薄膜１０には、反応部６と参照部７を設けてあり、本実施例では、それぞれ３つの反応部６Ａ，６Ｂ、６Ｃと３つの参照部７Ａ，７Ｂ、７Ｃを有し、３つの反応部６Ａ，６Ｂ、６Ｃには、それぞれ異なる酵素４Ａ，４Ｂ、４Ｃをポリスチレンなどのビーズ５に固定するが、上述の実施例１と同様、留置用ピラー８１、配列用ピラー８２を有し、配列用ピラー８２では、その配列構造を上述の実施例１と同様に、留置用ピラー８１の流れ方向に直交した方向の間隔を調整して配置し、液体試料などの流れがスムーズになるように構成している。また、それぞれに対応する尿成分の基質を酵素４との選択的接触熱反応により、各反応部６Ａ，６Ｂ、６Ｃにそれぞれ具備してある第１の温度センサ２０A  第２の温度センサ２０Ｂ，第３の温度センサ２０Ｃと、それぞれに対となっている３つの参照部７Ａ，７Ｂ、７Ｃにそれぞれに形成してある参照用温度センサ２０ＲＡ，２０ＲＢ、２０ＲＣとの差動増幅で、基質と酵素との接触反応熱に検出により、液体試料である尿の基質成分の量と、必要に応じてそれらの量の比較ができるように構成している。同一の流路に、反応部６と参照部７を設けてあるので、周囲温度などの外部環境の影響を受け難いという利点がある。ここでは、参照部７には、ビーズ5を留置していない場合である。もちろん、ビーズ5の直径を参照部７留置用と反応部留置用で異なるようにして、反応部６と参照部７にそれぞれビーズ５を留置させ、更に反応部６には、酵素４を固定したビーズ５を留置させるようにすることもできる。このような場合でも、留置用ピラー８１と配列用ピラー８２を参照部７にも形成し、その参照部７用のビーズ５の直径を考慮した留置用ピラー８１と配列用ピラー８２の間隔を調整して配置した方が良い。
【００５２】
各薄膜１０に形成している、例えば、反応部６Ａとそれに対になっている参照部７Ａとが、熱的にバランスするように同等な形状にしてあると共に、各薄膜１０の中央部を通るＹ−Ｙ線に対して対象に形成してある。更に各反応部６と参照部７とは、流路内の液体試料の流れに淀みがないように、流線形にしてある。したがって、高精度な基質の量やそれらの量の比較が可能になる。各反応部６Ａ，６Ｂ、６Ｃとそれぞれに対応して対となっている参照部７Ａ，７Ｂ、７Ｃには、それぞれ第１の温度センサ２０A、第２の温度センサ２０B、第3の温度センサ２０Cと、参照用温度センサ２０RA,２０RB,２０RCが形成してあり、それぞれの薄膜１０内での、例えば、第１の温度センサ２０Aと対となる参照用温度センサ２０RAとの差動出力が得られるように構成してある。これらの各薄膜１０に形成している温度センサは、ここでは、従来のバイオセンサチップの図１や図２で述べたように、すべて薄膜熱電対で構成しており、基板１に設けてある１つの共通の基準点（冷接点）２７（電極パッド  は、ＳＯＩ層用共通電極パッド７５P）を利用して、差動出力が得られるようにしている。本発明のピラー配置バイオセンサのバイオセンサチップ１００は、液体試料中の基質成分のうち、各反応部６Ａ，６Ｂ、６Ｃに固定しているそれぞれ異なる酵素４Ａ，４Ｂ、４Ｃとの選択的な接触熱反応により、それぞれの基質の量やそれらの量の比較ができるように構成している。それらの動作は、実施例１の参照部７を別の流路に設けている図３に関しての記述と、本質的に差動増幅の意味では同様であるので、ここでは動作説明を省略する。
【実施例３】
【００５３】
図６は、本発明のピラー配置バイオセンサのバイオセンサチップ１００を取扱いしやすいようにモジュール化した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。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、尿糖計や血糖値センサなどのバイオセンサに用いた場合、酵素４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、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、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、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。
【００５４】
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、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。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、液体試料は、流入部１６１から流入し、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。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７に示すピラー配置バイオセンサ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４】
【００５５】
図７は、本発明のピラー配置バイオセンサ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８に示した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とバイオセンサチップ１００用のコネクタ５５０とを用いて、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。本発明のピラー配置バイオセンサ１０００では、液体試料の流入、排出の駆動手段６１０として、ピラー配置バイオセンサ１０００の本体の外部に備えた吸引ポンプを用い、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場合である。それらの制御は、ピラー配置バイオセンサ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、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。なお、吸引ポンプ、タンク６２０や弁６００を本体の内部に備えて、ピラー配置バイオセンサ１０００をコンパクト化することもできる。
【実施例５】
【００５６】
ピラー配置バイオセンサに用いる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基板から成るバイオ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ピラー配置バイオセンサ１０００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。図８には、本発明のピラー配置バイオセンサ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。
【００５７】
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対応する酵素４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などを短時間、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、１０ｃなどを数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、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、基板１として、ＳＯＩ基板でない安価なシリコン（Ｓｉ）を用い、Ｓｉ基板表面に、熱拡散などで高濃度ホウ素の層を形成すると、この層は、ヒドラジンなどの異方性強アルカリ性エッチング液に耐性を有することで、この層をＳＯＩ層代わりに使用することもできる。この場合、異方性エッチングを使用すると結晶面として、（１００）面を使用する方が対称性の良い（１１１）結晶面に囲まれた空洞を形成できるので、好適である。また、同様に安価なシリコン（Ｓｉ）を用い、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ても良いし、基板１自体も耐熱性プラスチックなどの安価な材料を用いても良い。更に、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として、熱電材料のＣＶＤ、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。
【００５８】
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】
【００５９】
本発明のピラー配置バイオセンサ１０００のバイオセンサチップ１００は、カロリメトリック手法による計測では、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の温度センサ２０A、第２の温度センサ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とを備えている。そして、流路中の反応部に表面酵素固定用のビーズ５を留置できるようにする留置用ピラー８１を有し、ビーズ５を留置している反応部６や参照部7内でビーズ５を整然と配列させるための配列用ピラー８２を有しており、特に、配列用ピラー８２のピラー5の寸法や配置間隔の工夫により、尿などの液体試料の流れが、ビーズ５のくっ付き合いによる流路の塞ぎを解消するようにして、スムーズに流れるようにしている。流路が、並列に配置されていても、液体試料や洗浄液などが、各流路を同等に流れるようにしてある。したがって、液体試料内の成分分析の再現性も良く、しかも、異なる流路の反応部６に留置したビーズ固定酵素４による熱出力も、各流路間での比較の再現性も良いものになる。また、ビーズ5が逆流して他の反応部６に混入することを防ぐために、逆流防止ピラー８３をビーズ注入口１６０付近に設けている。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、何度も使用できるピラー配置バイオセンサが提供できる。本発明のピラー配置バイオセンサのバイオセンサモジュール５００は、バイオセンサチップ１００をモジュール化して、ワンタッチで容易にピラー配置バイオセンサ１０００に組み込み交換することができるようにしている。また、本発明のピラー配置バイオセンサ１０００は、生体由来の物質である体液である尿、汗、唾液や血液などに含まれる被検出物質である基質や酵素を、これらの熱反応による温度上昇分の計測により、数秒程度に沢山の基質や酵素を同時に計測できると言う利点があり、酵素は、消費しないので、触媒活性の低下はあるものの、洗浄後何回も使用できるから安価な日常の健康診断に役立てることができる。また、本発明のピラー配置バイオセンサ１０００は、特定基質成分である基質や酵素の量やこれらの比率などを容易に数値化でき携帯用にコンパクトにもできるので、家庭のトイレに設置したり、集団検診などでの色の変化を調べる尿試験紙などの代わりに使用できるなど、多方面にわたり利用できるものである。
【符号の説明】
【００６０】
１  基板
４、４Ａ、４Ｂ  酵素
５  ビーズ
６  反応部
６Ａ  第１の反応部
６Ｂ  第２の反応部
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
２０A  第１の温度センサ
２０B  第２の温度センサ
２０C  第3の温度センサ
２０R、２０RA、２０RB、２０RC、  参照用温度センサ
２３  絶対温度センサ
２５  ヒータ
２６  測定点（温接点）
２７  基準点（冷接点）
４０  空洞
５０  絶縁膜
５１  BOX層
６０  オーム性コンタクト
７０P、７０AP、７０ＢP、７０ＣP  温度センサ用電極パッド
７０R、７０ＲＡ P  参照用温度センサ用電極パッド
７１P   ヒータ用電極パッド
７５P  ＳＯＩ層用共通電極パッド
76 P  絶対温度センサ用電極パッド       
８０  ピラー
８１  留置用ピラー
８２  配列用ピラー
８３  逆流防止ピラー
１００  バイオセンサチップ
１１０  ＳＯＩ層用絶縁分離溝
１２０a, １２０b  熱電導体
１６０  ビーズ注入口
１６１  流入部
１８０  排出部  
３１０  バンプ電極
３５０  端子ピン
４００  配線
５００  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  ピラー配置バイオセンサ
【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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