(57)【要約】【課題】生体成分中の陽イオン、特にナトリウムイオンやカリウムイオンを測定するイオン濃度測定装置において、イオン選択性電極の構造及び作製法を簡便化したイオン濃度測定装置を提供する。【解決手段】金電極１１１表面に自己組織化膜を形成する絶縁性分子（例えば、アルカンチオール）をリンカーと結合した陽イオン捕獲用リガンドであるクラウンエーテル誘導体１０９とリンカーより長い炭素鎖を有するアルカンチオール１１０とを共存させて固定化し、陽イオンの配位に伴い生じる起電力を金電極表面の界面電位変化として電位差計測装置１０４で測定する。さらに、電位差測定装置として、金電極と同一基板上に形成された絶縁ゲート電界効果トランジスタを用いる。また、生体成分測定時の夾雑物の電極表面への吸着による影響を低減のために、直鎖高分子ポリマーを金電極上に物理吸着させて使用する。【選択図】図１
2008275416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物質を含む測定溶液が導入される容器と、
前記容器中の測定溶液と接触するイオン選択性電極と、
前記容器中の測定溶液と接触する参照電極と、
前記イオン選択性電極の界面電位を測定する電位計とを備え、
前記イオン選択性電極には、第１の絶縁性分子とクラウンエーテル誘導体が結合した物質と、第２の絶縁性分子とが固定化され、
前記第２の絶縁性分子の炭素鎖の長さが前記第１の絶縁性分子の炭素鎖の長さより大きいことを特徴とするイオン濃度測定装置。
【請求項２】
請求項１記載のイオン濃度測定装置において、前記第１の絶縁性分子及び第２の絶縁性分子はアルカンチオールであることを特徴とするイオン濃度測定装置。
【請求項３】
請求項１記載のイオン濃度測定装置において、前記イオン選択性電極は貴金属製もしくはカーボン製であることを特徴とするイオン濃度測定装置。
【請求項４】
請求項１記載のイオン濃度測定装置において、ナトリウムイオン、カリウムイオン又はリチウムイオンの濃度を測定することを特徴とするイオン濃度測定装置。
【請求項５】
測定対象物質を含む測定溶液が導入される容器と、
電界効果トランジスタと、
前記電界効果トランジスタのゲートと配線で接続され、前記容器中の測定溶液と接触するイオン選択性電極と、
前記容器中の測定溶液と接触する参照電極と、
前記参照電極に電圧を印加する電源と、
前記電界効果トランジスタの出力を検出する検出部とを備え、
前記イオン選択性電極の表面に第１の絶縁性分子とクラウンエーテル誘導体が結合した物質が固定化されたことを特徴とするイオン濃度測定装置。
【請求項６】
請求項５記載のイオン濃度測定装置において、前記イオン選択性電極に絶縁性分子とクラウンエーテル誘導体が結合した前記物質と、第２の絶縁性分子が固定化されたことを特徴とするイオン濃度測定装置。
【請求項７】
請求項６記載のイオン濃度測定装置において、前記第２の絶縁性分子の炭素鎖の長さが前記第１の絶縁性分子の炭素鎖の長さより大きいことを特徴とするイオン濃度測定装置。
【請求項８】
請求項６記載のイオン濃度測定装置において、前記第１の絶縁性分子及び第２の絶縁性分子はアルカンチオールであることを特徴とするイオン濃度測定装置。
【請求項９】
請求項５記載のイオン濃度測定装置において、前記イオン選択性電極は貴金属製もしくはカーボン製であることを特徴とするイオン濃度測定装置。
【請求項１０】
請求項５記載のイオン濃度測定装置において、ナトリウムイオン、カリウムイオン又はリチウムイオンの濃度を測定することを特徴とするイオン濃度測定装置。
【請求項１１】
請求項５記載のイオン濃度測定装置において、前記電源は交流電圧を印加することを特徴とするイオン濃度測定装置。
【請求項１２】
請求項５記載のイオン濃度測定装置において、前記電源は１ｋＨｚ以上の周波数の交流電圧を印加することを特徴とするイオン濃度測定装置。
【請求項１３】
請求項５記載のイオン濃度測定装置において、前記参照電極は前記電界効果トランジスタと同一基板上に形成されていることを特徴とするイオン濃度測定装置。
【請求項１４】
請求項５記載のイオン濃度測定装置において、２つ以上の前記電界効果トランジスタと前記参照電極が同一基板上に存在することを特徴とするイオン濃度測定装置。
【請求項１５】
電界効果トランジスタと、
第１の絶縁性分子とクラウンエーテル誘導体が結合した物質を表面上に固定化したイオン選択性電極とを有し、
前記電界効果トランジスタのゲートと前記イオン選択性電極が導電性配線で接続されていることを特徴とするイオン濃度測定素子。
【請求項１６】
請求項１５記載のイオン濃度測定素子において、前記イオン選択性電極に前記第１の絶縁性分子とクラウンエーテル誘導体が結合した前記物質と、炭素鎖の長さが前記第１の絶縁性分子の炭素鎖の長さより大きい第２の絶縁性分子とを共存して固定化したことを特徴とするイオン濃度測定素子。
【請求項１７】
請求項１６記載のイオン濃度測定素子において、前記第１の絶縁性分子及び第２の絶縁性分子はアルカンチオールであることを特徴とするイオン濃度測定素子。
【請求項１８】
請求項１５記載のイオン濃度測定素子において、２つ以上の前記電界効果トランジスタと前記イオン選択性電極と前記参照電極とが同一基板上に存在することを特徴とするイオン濃度測定素子。
【請求項１９】
請求項１５記載のイオン濃度測定素子において、前記イオン選択性電極は貴金属製又はカーボン製であることを特徴とするイオン濃度測定素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体成分中の陽イオン、特にナトリウムイオンやカリウムイオンを測定するイオン濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体成分、特に血清や血漿中の電解質（ナトリウムイオンやカリウムイオン等）の濃度を分析する方法としては、炎光光度法やイオン選択性電極法などがある。その中でイオン選択性電極法は、参照電極と共に試料液に浸すだけで、試料中のイオン濃度を定量できるため、現在広く利用されている。医療分野においては、小型化及び自動化が可能な利点を活かして生化学自動分析装置に組み込まれている。
【０００３】
液膜型のイオン選択性電極は、特定のイオンと選択的に相互作用することができるイオノフォア（リガンド）を添加した電極膜を有し、測定対象イオンに応じて電極膜に添加するリガンドを変えることにより、種々のイオンを分析対象にすることができる。ナトリウムイオンやカリウムイオン等の陽イオン選択性電極には、ニュートラルキャリヤーと呼ばれるイオン感応物質が用いられている。クラウンエーテルは、代表的なニュートラルキャリヤーであり、クラウン環の空孔径に合った陽イオンを選択的に認識する。一般に、リチウムイオンに対しては12-crown-4、ナトリウムイオンに対しては15-crown-5、カリウムイオンに対しては18-crown-6が適している。また、陽イオンを二つのクラウン環で挟み込むことで、モノクラウンエーテルよりも陽イオンに対する選択性を向上させることができ、ナトリウムイオンに対しては14-crwon-4、カリウムイオンに対しては15-crwon-5が適している。
【０００４】
クラウンエーテル化合物を用いるイオン選択性電極は、親油性陰イオンの妨害を受ける問題があるため、膜支持体であるポリ塩化ビニル（PVC）中にリガンドの他に可塑剤やアニオン排除剤を混在させている。通常は、可塑剤としてジオクチルフェニルフォスフォネイト（DOPP）やニトロフェニルオクチルエステル（NPOE）、アニオン排除剤として親油性塩であるテトラフェニルホウ酸ナトリウム塩を用いている。また、親油性のPVC膜中からのリガンドの溶出に起因するイオン選択性電極の性能劣化を防ぐために、リガンドには疎水性の側鎖（例えば、長いアルキル鎖）が付加されており、リガンドの構造は複雑である。実際の測定には、内部溶液と接した電極膜を試料溶液に浸して行うため、イオン選択性電極の組立は電極膜の作製の他に内部標準液容器への張り付け等の作業が必要である。
【０００５】
上記した液膜型イオン選択性電極の問題を解決して構造及び作製法を簡便化し、将来の分析装置の小型化に対応するために、リガンドを金電極表面に固定化したイオン選択性電極が提案されている。ナトリウムイオン選択性電極の例として、ニュートラルキャリヤー型リガンドとしてメルカプトクラウンエーテル化合物を金電極上に固定化した報告がある(J.Am. Chem. Soc., 120 (1998) 4652-4657)。また、リチウムイオン選択性電極の例としては、同様にニュートラルキャリヤー型リガンドをチオールと金の結合を利用して金電極表面に固定化している(Anal. Chem., 78 (2006) 7132-7137、及びWO2006/113440)。
【０００６】
【特許文献１】WO2006/113440
【非特許文献２】J. Am. Chem. Soc., 120 (1998) 4652-4657
【非特許文献３】Anal. Chem., 78 (2006) 7132-7137
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のリガンドを金電極表面に固定化したイオン選択性電極では、金電極表面の絶縁性やリガンドの周囲の環境についての考慮がなされておらず、電位測定ではなく、インピーダンスを測定して、所望のイオン濃度を得ていた。従来の金電極表面に固定化したイオン選択性電極では、金電極表面と溶液の間の測定溶液の間の絶縁性に関する考慮がなされておらず、実際の測定では電極表面でのリーク電流の影響を受け、界面電位が安定に測定できなかったためである。インピーダンス測定法は、金や白金などでできた作用電極と対向電極、作用電極の電位を一定に保つための参照電極を溶液中に配置し、電流測定装置であるポテンショスタットを用いて、作用電極と対向電極間に印加した電圧に対する周波数応答性を電流値で測定する。その際、測定溶液中に電気化学活性物質である酸化還元物質を入れる必要がある。そのため、参照電極と共に試料液に浸すだけで試料中のイオン濃度を定量できる、従来のイオン選択性電極法の利点が活かせなくなっていた。また、インピーダンス測定法では電流測定法であるため、原理的に測定濃度範囲が狭い問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、参照電極と共に試料液に浸すだけで試料中のイオン濃度を定量できる、従来のイオン選択性電極法の利点及び測定濃度範囲等の基本性能を維持し、イオン選択性電極の構造及び作製法を簡便化したイオン濃度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明では金電極表面に自己組織化膜を形成する絶縁性分子（例えば、アルカンチオール）をリンカーとして陽イオン捕獲用リガンドであるクラウンエーテル誘導体を固定化し、陽イオンの配位に伴い生じる起電力を金電極表面の界面電位変化として測定する。その際、クラウンエーテル環が自己組織化膜の間隔より大きいため、固定化された分子間に隙間がある場合には、リンカーより長い炭素鎖を有する絶縁性分子（例えば、アルカンチオール）をクラウンエーテル誘導体と共存させて固定化する。さらに、電位差測定装置として、金電極と同一基板上に形成された絶縁ゲート電界効果トランジスタを用いる。その際、参照電極に１ＫＨｚ以上の交流電圧を重畳して測定を行う。また、生体成分測定時の夾雑物の電極表面への吸着による影響を低減のために、直鎖高分子ポリマーを金電極上に物理吸着させて使用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、金電極の表面に絶縁性分子を介して陽イオン捕獲用リガンドであるクラウンエーテル誘導体を固定化することにより、金電極と溶液間の絶縁性を向上させることができる。この絶縁性の向上により電極表面でのリーク電流を抑制し、陽イオンの配位により生じる起電力を金電極表面の界面電位変化として安定に測定することができる。クラウンエーテル環が自己組織化膜の間隔より大きい場合には、リンカーより長い炭素鎖を有するアルカンチオールなどの絶縁性分子をクラウンエーテル誘導体と共存させて固定化することにより、固定化された分子間に隙間を無くし、金電極と溶液間の絶縁性を維持することができる。
【００１１】
さらに、電位差測定装置として、金電極と同一基板上に形成された絶縁ゲート電界効果トランジスタを用いることで、リーク電流を低減することができ、金電極表面の界面電位を安定に測定することができる。その際、参照電極に１ＫＨｚ以上の交流電圧を重畳することで、金電極表面の界面電位を安定化でき、測定精度が向上する。また、生体成分測定時の夾雑物の電極表面への吸着によるノイズやドリフトは、直鎖高分子ポリマーを金電極上に物理吸着させて使用することにより、低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１は、本発明によるイオン濃度測定装置の一例を示すブロック図である。本発明の測定装置は、測定部１０１、信号処理回路１０２、及びデータ処理装置１０３から構成される。測定部１０１は、電位差計測装置１０４、参照電極１０５、測定物質を有する試料溶液を供給する試料溶液注入器１０６、測定セル１０７を備えている。測定セル１０７内の測定溶液１０８中には、陽イオン捕獲用リガンドであるクラウンエーテル誘導体１０９と絶縁性分子としてのアルカンチオール１１０が固定化された金電極１１１、参照電極１０５が配置されている。ここでは、ナトリウムイオン捕獲用リガンドとして、モノ体の15-crown-5誘導体を用いたが、ビス体であるBis(12-crown-4)誘導体を用いても良い。15-crown-5誘導体としては、図２（ａ）に示すリンカーの炭素鎖の長さが６個である2-[(6-mercaptohexyl)oxy]methyl-(15-crown-5)や図２（ｂ）に示すリンカーの炭素鎖の長さが１０個である2-[10-mercaptodecyl)oxy]methyl-(15-crown-5)、Bis(12-crown-4)誘導体用としては、図２（ｃ）に示すDi(1,4,7,10-tetraoxacyclododecan-2-ylmethyl)methyl(6-sulfanylhexyl)を用いることができる。また、その際共存させる絶縁性分子としてのアルカンチオールの炭素鎖の長さは、クラウンエーテル誘導体のリンカーの炭素鎖の長さ以上であれば問題ない。例えば、クラウンエーテル誘導体のリンカーの炭素鎖の長さが６の場合には、６−ヘキサンチオール、８−オクタンチオール、１１−ウンデカンチオール、１４−テトラデカンチオール、１８−オクタデカンチオールを用いることもできる。また、リチウムイオン捕獲用リガンドとしては12-crown-4誘導体を、カリウムイオン捕獲用リガンドとしては18-crown-6誘導体、あるいはBis(15-crown-5)誘導体を用いれば良い。
【００１４】
測定手順は以下の通りである。最初、測定セル１０７内の測定溶液１０８中に、試料溶液注入器１０６を用いて試料溶液を注入する。試料溶液中の測定対象であるナトリウムイオンは、陽イオン捕獲用リガンドであるクラウンエーテル誘導体１０９とイオン−双極子相互作用に基づいた錯体を形成し、金電極１１１の表面でナトリウムイオンとその対陰イオンとの間で電荷分離が起こる。その結果、金電極１１１上の界面電位が変化する。電位測定は、試料溶液注入器１０６による試料溶液注入前後で変化する金電極１１１の界面電位を電位差計測装置１０４によりリアルタイムで計測し、信号処理回路１０２及びデータ処理装置１０３で記録することで行う。金電極１１１上の界面電位変化は、測定対象であるナトリウムイオンの濃度に依存する。そのため、予め標準溶液を測定して作成した検量線を元に、測定した電位変化値から未知濃度の試料のナトリウムイオン濃度を得ることができる。試料溶液注入器１０６は、シリンジポンプまたは加圧式送液装置を使用することができる。また、金電極１１１に代えて、銀等の他の貴金属やカーボンからなる電極を用いてもよい。また、生体成分測定時の夾雑物の電極表面への吸着による影響を低減するために、直鎖高分子ポリマーを金電極上に物理吸着させて使用しても良い。直鎖高分子ポリマーとしては、メチルセルロース、アクリルアミド、デキストラン、ポリエチレングリコール等を使用すれば良い。
【００１５】
参照電極１０５は、測定溶液１０８中の金電極１１１の表面で起こる平衡反応あるいは化学反応に基づく電位変化を安定に測定するために、基準となる電位を与える。通常は参照電極としては、飽和塩化カリウムを内部溶液に使用している銀・塩化銀電極、あるいは甘こう（カロメル）電極が用いられるが、測定する試料溶液の組成が一定の場合には、疑似電極として銀・塩化銀電極のみを使用しても問題はない。
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の他の実施の形態を説明する。図３は、本発明による電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：FET）センサを用いたイオン濃度測定装置の一例を示すブロック図である。本発明の測定装置は、測定部３０１、信号処理回路３０２、及びデータ処理装置３０３から構成される。測定部３０１は、絶縁ゲート電界効果トランジスタ３０４、参照電極３０５、参照電極３０５に電圧を印加する電源３０６、測定物質を有する試料溶液を供給する試料溶液注入器３０７、測定セル３０８を備えている。絶縁ゲート電界効果トランジスタ３０４は、ソース３０９、ドレイン３１０、ゲートと電気的に接続された金電極３１１を備えている。金電極３１１上には、陽イオン捕獲用リガンドであるクラウンエーテル誘導体３１２とアルカンチオール３１３が固定化されている。測定セル３０８内の測定溶液３１４中には、陽イオン捕獲用リガンドであるクラウンエーテル誘導体３１２とアルカンチオール３１３を固定化された金電極３１１、参照電極３０５が配置されている。
【００１７】
測定手順は以下の通りである。最初、測定セル３０８内の測定溶液３１４中に試料溶液注入器３０７を用いて試料溶液を注入する。試料溶液中の測定対象であるナトリウムイオンは、陽イオン捕獲用リガンドであるクラウンエーテル誘導体３１２とイオン−双極子相互作用に基づいた錯体を形成し、絶縁ゲート電界効果トランジスタ３０４上に形成された金電極３１１の表面でナトリウムイオンとその対陰イオンとの間で電荷分離が起こる。その結果、金電極３１１上の界面電位が変化する。電位測定は、試料溶液注入器３０７による試料溶液注入前後で変化する絶縁ゲート電界効果トランジスタ３０４内のソース３０９、ドレイン３１０間の電流をリアルタイムでモニターし、信号処理回路３０２、及びデータ処理装置３０３で記録することで行う。金電極３１１上の界面電位変化は、測定対象であるナトリウムイオンの濃度に依存する。そのため、予め標準溶液を測定して作成した検量線を元に、測定した電位変化値から未知濃度の試料のナトリウムイオン濃度を得ることができる。測定外部変動による影響を低減するために、電源３０６は、好ましくは交流成分を含む電源である。その際、直流成分に１ＫＨｚ以上の交流電圧を重畳することで、金電極３１１の表面電位の安定化が期待できる。試料溶液注入器３０７は、シリンジポンプまたは加圧式送液装置を使用することができる。金電極３１１は、銀等の他の貴金属やカーボンからなる電極を用いてもよい。また、生体成分測定時の夾雑物の電極表面への吸着による影響を低減するために、直鎖高分子ポリマーを金電極上に物理吸着させて使用しても良い。直鎖高分子ポリマーとしては、メチルセルロース、アクリルアミド、デキストラン、ポリエチレングリコール等を使用すれば問題ない。
【００１８】
参照電極３０５は、測定溶液３１４中の金電極３１１の表面で起こる平衡反応あるいは化学反応に基づく電位変化を安定に測定するために、基準となる電位を与える。通常は参照電極としては、飽和塩化カリウムを内部溶液に使用している銀・塩化銀電極、あるいは甘こう（カロメル）電極が用いられるが、測定する試料溶液の組成が一定の場合には、疑似電極として銀・塩化銀電極のみを使用しても問題はない。
【００１９】
図４は、本発明によるＦＥＴセンサを用いた複数項目を同時に測定できるイオン濃度測定装置の一例を示すブロック図である。本発明の測定装置は、測定部４０１、信号処理回路４０２、及びデータ処理装置４０３から構成される。測定部４０１は、絶縁ゲート電界効果トランジスタ４０４、擬似参照電極４０５、測定物質を有する試料溶液を供給する試料溶液注入器４０６、測定セル４０７を備えている。絶縁ゲート電界効果トランジスタ４０４は、ソース４０８、ドレイン４０９、ゲートと電気的に接続された金電極４１０、及びソース４１１、ドレイン４１２、ゲートと電気的に接続された金電極４１３の組み合わせを複数備えている。また、金電極４１０，４１３と同一平面に疑似参照電虚４０５を設けてある。疑似参照電虚４０５は導電性配線を介して、外部と接続されている。疑似参照電極としては、銀/塩化銀、金、白金等を用いることが出来る。金電極４１０，４１３上には、複数項目のイオンに対応できるように、違った陽イオン捕獲用リガンドであるクラウンエーテル誘導体を各々に固定化している。本実施例では、金電極４１０上にはナトリウムイオン捕獲用リガンドである15-crown-5誘導体４１４とアルカンチオール４１５が、金電極４１３上にはカリウムイオン捕獲用リガンドである18-crown-6誘導体４１６とアルカンチオール４１７が固定化されている。測定セル４０７内の測定溶液４１８中には、ナトリウムイオン捕獲用リガンドである15-crown-5誘導体４１４とアルカンチオール４１５が固定化された金電極４１０、カリウムイオン捕獲用リガンドである18-crown-6誘導体４１６とアルカンチオール４１７が固定化された金電極４１３、擬似参照電極４０５が配置されている。
【００２０】
測定手順は以下の通りである。最初、測定セル４０７内の測定溶液４１８中に試料溶液注入器４０６を用いて試料溶液を注入する。試料溶液中の測定対象であるナトリウムイオンは、ナトリウムイオン捕獲用リガンドである15-crown-5誘導体４１４と、カリウムイオンはカリウムイオン捕獲用リガンドである18-crown-6誘導体４１６と、各々イオン−双極子相互作用に基づいた錯体を形成する。その結果、金電極４１０，４１３上の界面電位がナトリウムイオン濃度及びカリウムイオン濃度に応じて変化する。電位測定は、試料溶液注入器４０６による試料溶液注入前後で変化する絶縁ゲート電界効果トランジスタ４０４内のソース４０８、ドレイン４０９間、及びソース４１１、ドレイン４１２間の電流をリアルタイムでモニターし、信号処理回路４０２、及びデータ処理装置４０３で記録することで行う。測定対象であるナトリウムイオン及びカリウムイオンの濃度は、予め標準溶液を測定して作成した検量線を元に、測定した電位変化値から得ることができる。その際、測定外部変動による影響を低減するために、擬似参照電極４０５には、直流成分に１ＫＨｚ以上の交流電圧を重畳した電圧を印加することで、金電極４１０，４１３の表面電位の安定化が期待できる。試料溶液注入器４０６は、シリンジポンプまたは加圧式送液装置を使用することができる。また、金電極４１０，４１３は、銀等の他の貴金属やカーボンからなる電極を用いてもよい。
【００２１】
図５は、本発明のＦＥＴセンサを用いイオン濃度測定装置に使用する分析素子の構造の一例を示す図である。図５（ａ）、（ｂ）は、各々断面構造及び平面構造を表わしている。絶縁ゲート電界効果トランジスタ５０１は、シリコン基板の表面にソース５０２、ドレイン５０３、及びゲート絶縁物５０４を形成し、金電極５０５を設けてある。金電極５０５と絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート５０６を導電性配線５０７で接続してある。好ましくは、絶縁ゲート電界効果トランジスタは、シリコン酸化物を絶縁膜として用いる金属酸化物半導体（Metal-oxide semiconductor）電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であるが、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いても問題はない。本構造を採用することにより、金電極５０５を任意の場所に、かつ任意の大きさに形成でき、測定対象の試料溶液量に応じて測定セルの容積を変更することができる。
【００２２】
本実施例で使用する絶縁ゲート電界効果トランジスタは、ＳｉＯ2（厚さ；１７．５ｎｍ）を用いた絶縁層を有するデプレション型ＦＥＴであり、金電極を４００μｍ×４００μｍの大きさで作製してある。通常の測定は、水溶液を使用するため、本素子は溶液中で動作しなければならない。溶液中で測定する場合には、電気化学反応を起こし難い−０．５〜０．５Ｖの電極電位範囲で動作することが必要である。そのため、本実施例ではデプレション型ｎチャネルＦＥＴの作製条件、すなわち閾値電圧（Ｖｔ）調整用イオン打ち込み条件を調整し、ＦＥＴの閾値電圧を−０．５Ｖ付近に設定してある。なお、金電極に代えて、銀等の他の貴金属からなる電極を用いてもよい。同一基板上に２つ以上のＦＥＴセンサを有する素子は、図５のＦＥＴセンサを同一基板上に複数形成することにより作成する。その際に問題となるＦＥＴセンサ間のクロストークは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）構造とすることで低減できる。
【００２３】
絶縁性分子であるリンカーを介して陽イオン捕獲用リガンドであるクラウンエーテル誘導体を金電極表面に固定する際に、リンカーより長い炭素鎖を有する絶縁性分子であるアルカンチオールをクラウンエーテル誘導体と共存させて固定化することの効果を、他の実施例を用いて説明する。
【００２４】
金電極表面へのリガンドの固定化は、以下の手順で行った。最初、固定化に使用する金電極を１Ｎ硝酸、純水、エタノールの順番で洗浄し、金電極表面を窒素パージした。次に、リガンドとアルカンチオールの混合溶液（各々の濃度；０．５ｍＭ，溶媒；エタノール）に１時間浸漬した。固体化終了後、０．１Ｍ硫酸ナトリウム溶液中で１０分間、９５℃で加熱処理した。その後エタノール及び純水で洗浄し、使用するまで３００ｍＭ  塩化ナトリウム水溶液中で保存した。
【００２５】
図６は、リガンドと共存させるアルカンチオールの炭素鎖の長さがナトリウムイオン濃度に対する電位応答に及ぼす影響を示している。ナトリウムイオンイオン濃度に対する電位応答は、塩化ナトリウム水溶液を用いて測定を行い、濃度範囲４．５ｍＭ〜３００ｍＭでのスロープ感度（すなわち、電極表面の起電力）を比較した。尚、電位測定値は浸漬後５分後の値である。本実施例では、ナトリウムイオン用のリガンドとして１−ヘキサンチオールをリンカーとした15-crown-5誘導体の一例である2-[(6-mercaptohexyl)oxy]methyl-(15-crown-5)を、アルカンチオールとして疎水性アルカンチオールである１−ヘキサンチオール(1-HT)、１−オクタンチオール(1-OT)、１−ウンデカンチオール(1-UDT)、１−テトラデカンチオール(1-TDT)、１−オクタデカンチオール(1-ODT)を使用した。
【００２６】
図６に示すように、炭素鎖の長さが違うアルカンチオールを共存させた固定化したナトリウムイオン電極のスロープ感度は、共存するアルカンチオールの炭素鎖の長さが長くなると大きくなった。炭素鎖の長さが１１以上になるとスロープ感度は一定（約５０ｍＶ/decade）になった。これは、クラウンエーテル誘導体間の隙間をアルカンチオールが埋めて、イオンが進入するのを妨害しているためと考えられる。また、炭素鎖の長さが１８以上になると電位が不安定になった。これは、アルカンチオールの炭素鎖の長さが長くなりすぎると、クラウンエーテル誘導体の上に新たに隙間できるためと考えられる。アルカンチールの長さは、クラウンエーテルと同じ高さになるのが良く、本実施例の場合にはクラウンエーテルは炭素鎖で３−４個の長さに相当するため、リガンドに結合した炭素鎖とエーテル結合の長さを考慮すると、１３−１４個の炭素鎖を有する1-TDTが最適である。一般的には、クラウンエーテルとクラウンエーテルに結合したリンカーとを併せた長さに相当する炭素鎖を有するアルカンチールを使用すれば良い。また、炭素鎖の長さが１８より長いアルカンチオールは、炭素鎖同士がお互い絡まりあったりするため、固定化が難しい問題もある。
【００２７】
アルカンチオールを共存させることによる金電極表面のシールド性の向上を金電極表面の電気容量で比較した（図７）。リガンドとして、モノ体のクラウンエーテル誘導体である2-[(6-mercaptohexyl)oxy]methyl-(15-crown-5)を使用した。図中の横軸は、Ａ：固定化無し金電極、Ｂ：リガンドのみ固定化した金電極、Ｃ：リガンドと1-HTを固定化した金電極、Ｄ：リガンドと1-OTを固定化した金電極、Ｅ：リガンドと1-UDTを固定化した金電極、Ｆ：リガンドと1-TDTを固定化した金電極、Ｇ：リガンドと1-ODTを固定化した金電極を表している。リガンドのみを金電極へ固定化した場合には、固定化していない金電極表面の場合に比べて電気容量が約１６％低下した。共存するアルカンチオールの炭素鎖が１８個になると電気容量は１／１０以下に減少した。今回使用した15-crown-5誘導体が結合したリガンドを使用する場合には、クラウンエーテル環が自己組織化膜の間隔より大きいため、固定化された分子間に隙間があり、通常のアルカンチオールを固定化した場合の電気容量より大きくなったと考えられる。一般的には、アルカンチオールを用いた自己組織化膜の固定化密度は、４．４×１０14個／ｃｍ2であるが、2-[(6-mercaptohexyl)oxy]methyl-(15-crown-5)のみを固定化した場合の実測値は２．９  ±０．２７個／ｃｍ2であり、少し隙間がある。このように金電極表面の電気容量が減少し、シールド性が増すことにより、スロープ感度が向上したと思われる。
【００２８】
図８は、リンカーの長さが違う別のリガンドと共存させるアルカンチオールの炭素鎖の長さが、ナトリウムイオン濃度に対する電位応答に及ぼす影響を示している。ナトリウムイオン濃度に対する電位応答は塩化ナトリウム水溶液を用いて測定を行い、濃度範囲４．５ｍＭ〜３００ｍＭでのスロープ感度を比較した。尚、電位測定値は浸漬後５分後の値である。本実施例では、ナトリウムイオン用のリガンドとしてリンカーの炭素鎖の長さが１０個である2-[10-mercaptodecyl)oxy]methyl-(15-crown-5)を、アルカンチオールとして疎水性アルカンチオールである１−ウンデカンチオール(1-UDT)、１−テトラデカンチオール(1-TDT)、１−オクタデカンチオール(1-ODT)を使用した。図８に示すように、各種炭素鎖長さが違うアルカンチオールを共存させて固定化したナトリウムイオン電極のスロープ感度は、共存するアルカンチオールの炭素鎖の長さが長くなると大きくなった。リンカーの炭素鎖の長さが６である2-[(6-mercaptohexyl)oxy]methyl-(15-crown-5)と比較して、リンカーの炭素鎖の長さが１０個である2-[10-mercaptodecyl)oxy]methyl-(15-crown-5)ではリガンドのみの場合でもある程度のスロープ感度が得られた。これは、リンカーの炭素鎖の長さを長くすることにより、クラウンエーテル誘導体間の隙間の影響が低減したためであると思われる。
【００２９】
図９は、別のリガンドと共存させるアルカンチオールの炭素鎖の長さが、ナトリウムイオン濃度に対する電位応答に及ぼす影響を示している。ナトリウムイオン濃度に対する電位応答は塩化ナトリウム水溶液を用いて測定を行い、濃度範囲４．５ｍＭ〜３００ｍＭでのスロープ感度を比較した。尚、電位測定値は浸漬後５分後の値である。本実施例では、ナトリウムイオン用のリガンドとしてビス体のクラウンエーテル誘導体の一例であるDi(1,4,7,10-tetraoxacyclododecan-2-ylmethyl)methyl(6-sulfanylhexyl)を、アルカンチオールとして疎水性アルカンチオールである１−ヘキサンチオール(1-HT)、１−オクタンチオール(1-OT)、１−ウンデカンチオール(1-UDT)、１−テトラデカンチオール(1-TDT)、１−オクタデカンチオール(1-ODT)を使用した。図９に示すように、各種炭素鎖長さが違うアルカンチオールを共存させて固定化したナトリウムイオン電極のスロープ感度は、モノ体のクラウンエーテル誘導体の場合と同様に共存するアルカンチオールの炭素鎖の長さが長くなると大きくなった。このように、モノ体とビス体いずれの場合も共存するアルカンチオールの炭素鎖長さをリガンドに付加したリンカーの炭素鎖の長さより長くすることにより、ナトリウムイオン濃度に対するスロープ感度が向上する。
【００３０】
陽イオン捕獲用リガンドであるクラウンエーテル誘導体と共存させて金電極表面に固定するアルカンチオールの電荷の影響について以下に説明する。図１０は、リガンドと共存させるアルカンチオールの末端の電荷のナトリウムイオン濃度に対する電位応答に及ぼす影響を示している。ナトリウムイオン濃度に対する電位応答は塩化ナトリウム水溶液を用いて測定を行い、濃度範囲４．５ｍＭ〜３００ｍＭでのスロープ感度を比較した。尚、電位測定値は浸漬後５分後の値である。
【００３１】
図１０（ａ）は、ナトリウムイオン用のリガンドとしてリンカーの炭素鎖の長さが６個である2-[(6-mercaptohexyl)oxy]methyl-(15-crown-5)を、アルカンチオールとして末端に水酸基を有する６−ヒドロキシ−１−ヘキサンチオール(6-HHT)、末端にアミノ基を有する６−アミノ−１−ヘキサンチオール(6-AHT)、末端にカルボキシル基を有する５−カルボキシ１−ペンタンチオール(5-CPT)、及び親水性のエチレングリコールを有して炭素鎖が１８のトリエチレングリコール−モノ−１１−メルカプトデシルエーテル(Trietyleneglycol-mono-11-mercaptodecylether：TGM)を使用した場合のスロープ感度を示している。図１０（ａ）中の横軸は、Ａ：リガンドのみ固定化した金電極、Ｂ：リガンドと6-HHTを固定化した金電極、Ｃ：リガンドと6-AHTを固定化した金電極、Ｄ：リガンドと5-CPTを固定化した金電極、Ｅ：リガンドとTGMを固定化した金電極を表している。
【００３２】
図１０（ｂ）は、ナトリウムイオン用のリガンドとしてリンカーの炭素鎖の長さが１０個である2-[10-mercaptodecyl)oxy]methyl-(15-crown-5)を、アルカンチオールとして末端に水酸基を有する１１−ヒドロキシ−１−ウンデカンチオール(11-HUT)、末端にアミノ基を有する１１−アミノ−１−ウンデカンチオール(11-AUT)、末端にカルボキシル基を有する１０−カルボキシ１−デカンチオール(10-CDT)、及び親水性のエチレングリコールを有し炭素鎖が１８のトリエチレングリコール−モノ−１１−メルカプトデシルエーテル(TGM)を使用した場合のスロープ感度を示している。図１０（ｂ）中の横軸は、Ａ：リガンドのみ固定化した金電極、Ｂ：リガンドと11-HUTを固定化した金電極、Ｃ：リガンドと11-AUTを固定化した金電極、Ｄ：リガンドと10-CDTを固定化した金電極、Ｅ：リガンドとTGMを固定化した金電極を表している。
【００３３】
図１０（ａ）に示すように、リンカーの炭素鎖の長さが６個であるリガンドの場合には、アルカンチオオールの末端に電荷を導入することにより、スロープ感度は向上するが、スロープ感度の大きさは炭素鎖が６個である1-HTを共存させた場合と同程度かそれ以下であった。炭素鎖の長さが１８個に相当するTGMを共存させた場合は、同じ炭素鎖長さでる18-ODTを共存させた場合のスロープ感度の１/５以下であった。リンカーの炭素鎖の長さが１０個であるリガンドの場合においても、図１０（ｂ）に示すように同じような傾向が見られた。共存するアルカンチオオールの末端に電荷を導入することにより、リガンドのみの場合と比べて全ての場合にスロープ感度は低下した。炭素鎖の長さが１８個に相当するTGMの場合も、同じ炭素鎖の長さである18-ODTを共存させた場合のスロープ感度の１/２以下であった。図６、８、及び１０が示すように、リガンドと共存するアルカンチオールに電荷を有する親水基を導入することにより、ナトリウムイオン濃度に対するスロープ感度が低下する。すなわち、ナトリウムイオン捕獲用リガンドと共存させるアルカンチオールは疎水性で、かつ炭素鎖の長さがナトリウムイオン捕獲用リガンドのリンカーの炭素鎖より長いほうが良い。
【００３４】
本発明のＦＥＴセンサへの交流電圧印加の効果を、他の実施例を用いて説明する。図１１（ａ）は、ＦＥＴセンサへの交流電圧印加の効果を見るために、参照電極に周波数１ＭＨｚ、中心電圧１００ｍＶ、振幅電圧２００ｍＶの交流を印加した場合のナトリウムイオン濃度に対する電位応答を示している。ナトリウムイオン濃度に対する電位応答は塩化ナトリウム水溶液を用いて測定を行い、濃度範囲４．５ｍＭ〜３００ｍＭでのスロープ感度を比較した。尚、電位測定値は浸漬後５分後の値である。本実施例では、ナトリウムイオン用のリガンドとして15-crown-5誘導体の一例である2-[(6-mercaptohexyl)oxy]methyl-(15-crown-5)を、アルカンチオールとして疎水性アルカンチオールである１−オクタデカンチオール(1-ODT)を使用した。トランジスタの電流・電圧特性の測定は、半導体パラメータアナライザ（Agilent 4155C Semiconductor Parameter Analyzer）を用いて行い、予め取得したＦＥＴの電流・電圧特性曲線からゲート電圧（Ｖｇ）を算出した。図１１（ｂ）は、交流電圧印加の効果を見るために、リファレンス実験として参照電極に直流電圧を印加した場合の、ナトリウムイオン濃度に対する電位応答を示している。参照電極に高周波を重畳した場合の電位応答（相関係数、Ｒ2＝０．９７９）は、参照電極に直流電圧を印加した場合の電位応答（相関係数、Ｒ2＝０．９４４）に比べて、ばらつきが小さく安定であった。
【００３５】
本発明のＦＥＴセンサへの交流電圧印加の効果を、他の実施例を用いて説明する。
【００３６】
ＦＥＴセンサと交流電圧印加を行う高周波重畳法の組み合わせ効果を調べるために、ナトリウムイオン用のリガンドとしてモノ体である15-crown-5誘導体の一例である2-[(6-mercaptohexyl)oxy]methyl-(15-crown-5)のみを金電極表面に固定化したイオン電極を通常の電位測定装置で測定した場合とＦＥＴセンサへ交流電圧印加して測定した場合を比較した。図１２（ａ）、（ｂ）は、各々通常の電位測定装置で測定したナトリウムイオン濃度に対する電位応答と、ＦＥＴセンサへ交流電圧印加して測定したナトリウムイオン濃度に対する電位応答を示している。図１２（ａ）に示すように、図１に示した通常の電位測定装置で測定した場合には、ナトリウムイオン濃度に対する電位応答が、ナトリウムイオン濃度が高くなる（約１００ｍＭ以上）と、違う挙動を示した。
【００３７】
一方、図１２（ｂ）に示すように、ＦＥＴセンサへ交流電圧印加して測定した場合には、ナトリウムイオン濃度に対して良好な電位応答が得られた。また、ナトリウムイオン用のリガンドとしてビス体であるBis(12-crown-4)誘導体の一例であるDi(1,4,7,10-tetraoxacyclododecan-2-ylmethyl)methyl(6-sulfanylhexyl)のみを金電極表面に固定化したイオン電極を通常の電位測定装置で測定した場合とＦＥＴセンサへ交流電圧印加して測定した場合を比較した。図１３（ａ）、（ｂ）は、各々通常の電位測定装置で測定したナトリウムイオン濃度電位応答と、ＦＥＴセンサへ交流電圧印加して測定したナトリウムイオン濃度に対する電位応答を示している。図１３（ａ）に示すように、図１に示した通常の電位測定装置で測定した場合には、ナトリウムイオン濃度に対する電位応答が、ナトリウムイオン濃度が高くなる（約７０ｍＭ以上）と違う挙動を示した。
【００３８】
一方、図１３（ｂ）に示すように、ＦＥＴセンサへ交流電圧印加して測定した場合には、ナトリウムイオン濃度に対して良好な電位応答が得られた。本実施例では、参照電極に周波数１ＭＨｚの交流電圧を印加したが、周波数が１ｋＨｚ以上である交流電圧であれば問題ない。これらの結果は、通常の電位測定の場合には、ナトリウムイオン濃度が高くなるとクラウンエーテル誘導体間の隙間にイオンが進入して電位が不安定になるが、ＦＥＴセンサに高周波重畳法を適用することにより、クラウンエーテル誘導体間の隙間へのイオンの進入を妨害して、電位を安定させているためと考えられる。このように、電位差測定装置として、金電極と同一基板上に形成された絶縁ゲート電界効果トランジスタを用い、測定時に１ＫＨｚ以上の高周波を参照電極に重畳することにより、金電極上で生じる反応過程(イオンの捕獲)を精度良く測定できるようになる。また、生体成分測定時の夾雑物の電極表面への吸着による影響を低減のために、直鎖高分子ポリマーを金電極上に物理吸着させて使用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明によるイオン濃度測定装置の一例を示すブロック図。
【図２】本発明によるナトリウムイオン捕獲用リガンド一例を示す図。
【図３】本発明によるＦＥＴセンサを用いたイオン濃度測定装置の一例を示すブロック図。
【図４】本発明によるＦＥＴセンサを用いた複数項目を同時に測定できるイオン濃度測定装置の一例を示すブロック図。
【図５】本発明のＦＥＴセンサを用いイオン濃度測定装置に使用する分析素子の構造の一例を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図。
【図６】リガンドと共存させるアルカンチオールの炭素鎖の長さが、ナトリウムイオン濃度に対する電位応答に及ぼす影響を示す図。
【図７】アルカンチオールを共存させることによる金電極表面のシールド性の向上を金電極表面の電気容量で比較した図。
【図８】リンカーの長さが違う別のリガンドと共存させるアルカンチオールの炭素鎖の長さのナトリウムイオン濃度に対する電位応答に及ぼす影響を示す図。
【図９】リガンドと共存させるアルカンチオールの炭素鎖の長さが、ナトリウムイオン濃度に対する電位応答に及ぼす影響を示す図。
【図１０】リガンドと共存させるアルカンチオールの末端の電荷、ナトリウムイオン濃度に対する電位応答に及ぼす影響を示す図。
【図１１】ＦＥＴセンサへの交流電圧印加の効果を表すナトリウムイオン濃度に対する電位応答を示す図であり、（ａ）はＦＥＴセンサへ交流電圧を印加して測定したナトリウムイオン濃度に対する電位応答を測定した結果、（ｂ）は通常の電位測定装置で測定したナトリウムイオン濃度に対する電位応答を測定した結果を示す図。
【図１２】ＦＥＴセンサへの交流電圧印加の効果を表すナトリウムイオン濃度に対する電位応答を示す図であり、（ａ）は通常の電位測定装置で測定したナトリウムイオン濃度に対する電位応答を測定した結果、（ｂ）はＦＥＴセンサへ交流電圧を印加して測定したナトリウムイオン濃度に対する電位応答を測定した結果を示す図。
【図１３】ＦＥＴセンサへの交流電圧印加の効果を表すナトリウムイオン濃度に対する電位応答を示す図であり、（ａ）は通常の電位測定装置で測定したナトリウムイオン濃度に対する電位応答を測定した結果、（ｂ）はＦＥＴセンサへ交流電圧を印加して測定したナトリウムイオン濃度に対する電位応答を測定した結果を示す図。
【符号の説明】
【００４０】
１０１，３０１，４０１…測定部、１０２，３０２，４０２…信号処理回路、１０３，３０３，４０３…データ処理装置、１０４…電位差計測装置、１０５，３０５…参照電極、１０６，４０６…測定物質を有する試料溶液を供給する試料溶液注入器、１０７，３０８，４０７…測定セル、１０８，３１４，４１８…測定溶液、１０９，３１２…陽イオン捕獲用リガンドであるクラウンエーテル誘導体、１１０，３１３，４１５，４１７…アルカンチオール、１１１，４１３…金電極、３０４，４０４，５０１…絶縁ゲート電界効果トランジスタ、３０６…電源、３０７…測定物質を有する試料溶液を供給する試料溶液注入器、３０９、４０８，４１１，５０２…ソース、３１０，４０９，４１２，５０３…ドレイン、３１１、４１０…金電極、４０５…擬似参照電極、４１４…ナトリウムイオン捕獲用リガンドである15-crown-5誘導体、４１６…カリウムイオン捕獲用リガンドである18-crown-6誘導体、５０４…ゲート絶縁物、５０６…絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート、５０７…導電性配線
【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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【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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