(57)【要約】【課題】イオン感応性バイオセンサにおいて、測定ノイズを除去する。【解決手段】イオン感応性の電極の表面の全部または一部がポリカテコールアミンによりコーティングされていることを特徴とする、イオン感応性バイオセンサを提供する。【選択図】図１
2018155370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン感応性の電極を備えるイオン感応性バイオセンサであって、
前記イオン感応性の電極の表面の全部または一部がポリカテコールアミンによりコーティングされていることを特徴とする、
バイオセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のバイオセンサであって、
前記ポリカテコールアミンが、Ｌ−ドーパ、ドーパミン、アドレナリン、または、ノルアドレナリンの重合物であることを特徴とする、
バイオセンサ。
【請求項３】
請求項１に記載のバイオセンサであって、
前記イオン感応性の電極の表面におけるポリカテコールアミンのコーティングは、前記電極の表面においてカテコールアミンを重合させることにより達成されることを特徴とする、
バイオセンサ。
【請求項４】
請求項１に記載のバイオセンサであって、
前記イオン感応性の電極が金電極、銀電極、銅電極、白金電極、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）電極、パラジウム電極、鋼電極、ニッケルチタン合金電極、酸化チタン電極、二酸化ケイ素電極、水晶電極、酸化アルミニウム電極、ガリウムヒ素電極、ガラス電極、または、酸化タンタル電極であることを特徴とする、
バイオセンサ。
【請求項５】
請求項１に記載のバイオセンサであって、
前記イオン感応性の電極が、水素イオン感応性であることを特徴とする、
バイオセンサ
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のバイオセンサであって、
前記イオン感応性の電極が、電界効果トランジスタのゲート電極に電気的に接続されている
ことを特徴とする、
バイオセンサ。
【請求項７】
請求項６に記載のバイオセンサであって、
前記イオン感応性の電極は、前記電界効果トランジスタから離れて配置されており、
前記イオン感応性の電極は、配線を介して、前記電界効果トランジスタの前記ゲート電極と電気的に接続されていることを特徴とする、
バイオセンサ。
【請求項８】
請求項６に記載のバイオセンサであって、
前記イオン感応性の電極が、前記電界効果トランジスタのゲート絶縁膜上に直接に載置されることにより、前記ゲート絶縁膜に電気的に接続されていることを特徴とする、
バイオセンサ。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のバイオセンサであって、
前記イオン感応性の電極が、信号増幅器に電気的に接続されていることを特徴とする、
バイオセンサ。
【請求項１０】
請求項９に記載のバイオセンサであって、
前記信号増幅器が、オペアンプであることを特徴とする、
バイオセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン感応性の電極を備えるイオン感応性バイオセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気化学計測手法の一つとして、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いたバイオセンサの研究が盛んになってきている。ＦＥＴを用いたバイオセンサでは、センサが測定対象となる生体分子を認識すると、熱、質量、電荷等の物理的変化や対象物質の分解、物質の生成等の化学的変化が起こり、この変化を電荷変化もしくはキャパシタンス変化として信号変換素子であるＦＥＴで電気信号に変換して対象物質を測定する。ＦＥＴを用いたバイオセンサは、（１）イオンや分子固有の電荷を電気的に検出できる、（２）測定までの手間や時間がかからない、（３）リアルタイム測定が可能である、（４）非標識、非侵襲での電気的計測が可能である、（５）半導体の微細加工技術により小型化、集積化が可能である、等の特徴を有する。【０００３】
例えば、これまでに、拡張型のゲートＦＥＴにより、ＤＮＡのハイブリダイゼーションを検出するバイオセンサ（非特許文献１）や、拡張型のゲートＦＥＴにより様々な糖を検出するバイオセンサ（非特許文献２）等が提案されている。【０００４】
ＦＥＴを用いたイオン感応性バイオセンサとしては、例えば、金ゲート電極にチオール結合したアルキル基の末端のカルボキシル基やアミノ基が水素イオンと平衡反応することを利用した水素イオン感応センサが提案されている（非特許文献３）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｔ．Ｓａｋａｔａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４４，２８６０−２８６３
【非特許文献２】Ｔ．Ｋａｊｉｓａ  ａｎｄ  Ｔ．Ｓａｋａｔａ，  ＣｈｅｍＥｌｅｃｔｒｏＣｈｅｍ，１，１６４７−１６５５（２０１４）
【非特許文献３】Ｔ．Ｋａｊｉｓａ  ａｎｄ  Ｔ．Ｓａｋａｔａ，  Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５４，０４ＤＬ０６（２０１５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これまで提案されているイオン感応性バイオセンサでは、水素イオン以外の物質等（例えば、アルブミン等のタンパク質）が電極への非特異的に吸着することによるノイズが問題となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、イオン感応性バイオセンサにおける、非特異的吸着に起因するノイズを低減させるために鋭意研究を行ったところ、驚くべきことに、イオン感応性の電極の表面をポリカテコールアミンによってコーティングすることにより、非特異的吸着に起因するノイズがほぼ完全に除去できることを見出した。【０００８】
すなわち本発明は、イオン感応性の電極を備えるイオン感応性バイオセンサであって、前記イオン感応性の電極の表面の全部または一部がポリカテコールアミンによりコーティングされていることを特徴とする、バイオセンサに関する。【０００９】
また、本発明の一実施形態においては、前記ポリカテコールアミンが、Ｌ−ドーパ、ドーパミン、アドレナリン、または、ノルアドレナリンの重合物であることを特徴とする。【００１０】
また、本発明の一実施形態においては、前記イオン感応性の電極の表面におけるポリカテコールアミンのコーティングは、前記電極の表面においてカテコールアミンを重合させることにより達成されることを特徴とする。【００１１】
また、本発明の一実施形態においては、前記イオン感応性の電極が金電極、銀電極、銅電極、白金電極、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）電極、パラジウム電極、鋼電極、ニッケルチタン合金電極、酸化チタン電極、二酸化ケイ素電極、水晶電極、酸化アルミニウム電極、ガリウムヒ素電極、ガラス電極、または、酸化タンタル電極であることを特徴とする。【００１２】
また、本発明の一実施形態においては、前記イオン感応性の電極が、水素イオン感応性であることを特徴とする。【００１３】
また、本発明の一実施形態においては、前記イオン感応性の電極が、電界効果トランジスタのゲート電極に電気的に接続されていることを特徴とする。【００１４】
また、本発明の一実施形態においては、前記イオン感応性の電極は、前記電界効果トランジスタから離れて配置されており、前記イオン感応性の電極は、配線を介して、前記電界効果トランジスタの前記ゲート電極と電気的に接続されていることを特徴とする。【００１５】
また、本発明の一実施形態においては、前記イオン感応性の電極が、前記電界効果トランジスタのゲート絶縁膜上に直接に載置されることにより、前記ゲート絶縁膜に電気的に接続されていることを特徴とする。【００１６】
また、本発明の一実施形態においては、前記イオン感応性の電極が、信号増幅器に電気的に接続されていることを特徴とする。【００１７】
また、本発明の一実施形態においては、前記信号増幅器が、オペアンプであることを特徴とする。【００１８】
なお、上記に挙げた本発明の一又は複数の特徴を任意に組み合わせた発明も、本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態であるイオン感応性バイオセンサの概略的な構成を示す模式図を示す。
【図２】図２は、本発明の一実施形態であるイオン感応性バイオセンサを用いて、被験試料を添加した際のＦＥＴのゲート表面電位の変化を測定した結果を示す。
【図３】図３は、図２に示す実験結果における、ＦＥＴのゲート表面電位変化量を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の一実施形態であるイオン感応性バイオセンサの電極に検出非対象物質（ドーパミン）を加えたときのＦＥＴのゲート表面電位変化を示すグラフを示す。
【図５】図５は、本発明の一実施形態であるイオン感応性バイオセンサの電極に検出非対象物質（アルブミン）を加えたときのＦＥＴのゲート表面電位変化を示すグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明のイオン感応性センサは、被験試料のｐＨの変化を、イオン濃度の変化に基づく電極の電荷密度の変化として検出するという基本的な原理に基づく。
【００２１】
本発明のイオン感応性センサは、イオン感応性の電極（被験試料のｐＨを測定するための電極）の表面の全部または一部がポリカテコールアミンによりコーティングされていることにより、被験試料中の夾雑物が電極に非特異的に吸着することに起因する測定ノイズが大幅に低減されていることを特徴とする。ここで、「カテコールアミン」とは、チロシンから誘導された、カテコールとアミンを有する化合物の総称であり、例えばＬ−ドーパ、ドーパミン、ノルアドレナリン、アドレナリン等が知られている。また、「ポリカテコールアミン」とは、カテコールアミンの重合物を意味し、例えば、Ｌ−ドーパ、ドーパミン、ノルアドレナリン、アドレナリンの重合物が挙げられる。
【００２２】
なお、イオン感応性電極への電極へポリカテコールアミンをコーティングする方法は特に限定されず、当業者が適宜選択することができる。例えば、カテコールアミンは酸化することで重合するため、イオン感応性電極へカテコールアミン溶液を適用し、静置することで、自己酸化（空気酸化）による重合を誘導することができる。他の酸化方法としては、例えば、電気化学的酸化（サイクリックボルタメトリ等）、ＵＶオゾン酸化、過マンガン酸カリウム等の酸化剤の添加、等が挙げられる。
【００２３】
本発明によれば、様々な夾雑物を含む被験試料においても、正確にｐＨを測定することができる。そのため、本発明のバイオセンサを用いて、生体由来の試料、環境中の試料、または、食品中の試料等のｐＨを測定することができる。本発明のバイオセンサを用いてｐＨの測定が可能な生体由来の試料としては、例えば血液、リンパ液、組織液、体腔液、消化液、汗、涙、鼻汁、唾液、尿、精液、膣液、羊水、乳汁、等が挙げられる。
【００２４】
[イオン感応性センサの構成]
図１に、本発明の一実施形態に係るセンサを示し、本発明の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態であるイオン感応性センサ１００の概略的な構成を示す模式図である。なお、以下の説明では、検出素子としていわゆる拡張ゲート（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ−ｇａｔｅ）型のＦＥＴを使用した場合を例に挙げて説明するが、本発明に係るイオン感応性センサは、このような例に限定されるものではない。例えば、ゲート電極が絶縁膜上に直接に載置される通常のＦＥＴを用いてもよい。
【００２５】
また、本発明に係るイオン感応性センサは、検出素子としてＦＥＴを用いるものに限定されない。本発明の本質的な特徴は、ポリカテコールアミンによるコーティングを行ったイオン感応性の電極部分で被験試料のｐＨ変化を電気的な信号として検出することにあり、例えば当該イオン感応性の電極を信号増幅器（例えば、真空管、トランジスタ、オペアンプ、マグアンプ、等）に接続することによっても、イオン感応性センサとして使用することができる。
【００２６】
図１に示すように、イオン感応性センサ１００は、検出素子としてＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１０１を用いて試験試料におけるイオン濃度を検出するためのセンサであって、ポリカテコールアミン薄膜層１０５によってコーティングされたイオン感応性電極１０４を備える。イオン感応性電極１０４は基板１０５上にスパッタされている。また、イオン感応性電極１０４は、ＭＯＳＦＥＴ１０１のゲート電極１０８と配線１０２を介して電気的に接続されている。
【００２７】
また、基板１０３上には、イオン感応性電極１０４を囲うようにガラスリングが固定されており、ガラスリング内には緩衝液１０７が満たされている。
【００２８】
なお、図１に示すように、必要に応じて参照電極１０６を設けてもよい。参照電極１０６は、緩衝液１０７中に設けられ、ＭＯＳＦＥＴ１０１のソース電極及びドレイン電極とともに閉回路を形成する。参照電極１０６はＦＥＴにおける電圧測定の基準電位となる電極であり、アースされることもある。実用上は、ＦＥＴにおける電圧測定の際に必要となるが、他の公知の方法により代替可能であれば参照電極１０６を設けなくてもよい。
【００２９】
ＭＯＳＦＥＴ１０１の半導体基板は、例えば、ｐ型半導体であり、その一部（例えば２箇所）が局所的にドーピングされて形成されたｎ型半導体部分にソース電極及びドレイン電極が設けられる。なお、本発明のイオン感応性センサで使用するＦＥＴは、上記のｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ（ｎ−ＭＯＳ）に限られず、ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴ（ｐ−ＭＯＳ）、ｎチャネル接合型ＦＥＴ、ｐチャネル接合型ＦＥＴであってもよい。
【００３０】
また、半導体基板の素材としては、特に制限されるものではないが、Ｓｉ、ＧａＡｓ、透明酸化物半導体（例えば、ＩＴＯ、ＩＧＺＯ、ＩＺＯ）、有機半導体、炭素半導体（例えば、カーボンナノチューブ、グラフェン半導体、ダイヤモンド半導体等）等、公知の半導体を適宜選択して用いることができる。
【００３１】
また、本発明の一実施形態であるイオン感応性センサ１００においては、検出素子として、上述したように拡張ゲート型のＦＥＴを使用している。拡張ゲート型のＦＥＴを用いたイオン感応性センサでは、イオン感応性電極部分がＦＥＴ本体（ソース電極およびドレイン電極が設けられた半導体基板を含むＦＥＴ１０１）から分離しており、イオン感応性電極部分をＦＥＴ１０１から着脱自在に接続することができる。
【００３２】
すなわち、本発明の一実施形態においては、イオン感応性電極部分と検出素子（例えば、ＦＥＴ、信号増幅器）とを別々に準備し、組み合わせてもよい。例えば、イオン感応性電極部分を、検出装置本体（ＦＥＴや信号増幅器）に着脱可能なチップとして構成することもできる。
【００３３】
本明細書において用いられる用語は、特に定義されたものを除き、特定の実施態様を説明するために用いられるのであり、発明を限定する意図ではない。
【００３４】
また、本明細書において用いられる「含む」との用語は、文脈上明らかに異なる理解をすべき場合を除き、記述された事項（部材、ステップ、要素、数字など）が存在することを意図するものであり、それ以外の事項（部材、ステップ、要素、数字など）が存在することを排除しない。
【００３５】
異なる定義が無い限り、ここに用いられるすべての用語（技術用語及び科学用語を含む。）は、本発明が属する技術の当業者によって広く理解されるのと同じ意味を有する。ここに用いられる用語は、異なる定義が明示されていない限り、本明細書及び関連技術分野における意味と整合的な意味を有するものとして解釈されるべきであり、理想化され、又は、過度に形式的な意味において解釈されるべきではない。
【００３６】
以下において、本発明を、実施例を参照してより詳細に説明する。しかしながら、本発明はいろいろな態様により具現化することができ、ここに記載される実施例に限定されるものとして解釈されてはならない。
【実施例】
【００３７】
ポリドーパミン薄膜層を金電極に積層したイオン感応性バイオセンサの作製
本実施例において用いた、本発明の一実施形態であるイオン感応性センサは、以下のように作製した（構成の概念図を図１に示した）。【００３８】
本実施例において用いたイオン感応性センサにおいては、検出素子としてＭＯＳＦＥＴ（ＮＸＰ社製、２Ｎ７００２）を用いた。対象物の電荷を検出するための電極（イオン感応性電極）としては、ガラス基板にスパッタした６ｍｍ直径金電極を用い、金電極上に、後述する方法にて、ポリドーパミン薄膜層を作製した。前記金電極は、前記ＭОＳＦＥＴに直接接触しているゲート電極から、配線を介して電気的に接続させることにより、拡張型のゲート電極（拡張ゲート電極）とした。【００３９】
次に、本実施例では溶液中での測定を行うため、上述のようにして得られたイオン感応性電極（ポリドーパミン薄膜層によるコーティングを行った金電極）上に、外径１２ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ１０ｍｍのガラスリングを、エポキシ樹脂を用いて固定した。【００４０】
金電極上へのポリカテコール薄膜層の作製
Ｌ−ドーパ粉末（Ｄ０６００，東京化成工業）、ドーパミン粉末（Ａ０３０５，東京化成工業）、ノルアドレナリン粉末（Ａ０９０６，東京化成工業）、または、アドレナリン粉末（Ａ０１７３，東京化成工業）を、それぞれトリス緩衝液（１００ｍＭ，ｐＨ１０）に溶解させ、２５ｍＭのカテコールアミン溶液（Ｌ−ドーパ溶液、ドーパミン溶液、ノルアドレナリン溶液、または、ノルアドレナリン溶液）を作製した。次に、前出のガラスリングを固定した金基板にいずれかのカテコールアミン溶液を５００μｌ入れ、紫外線オゾン表面処理/改質装置（ミズカプラニング社製、ＰＬ―１６）にて５分間ＵＶを照射し、２４時間室温にて放置することによって、金基板上にポリカテコールアミン薄膜層を形成させた。【００４１】
比較例として、ガラスリングを固定した金基板に単純なトリス緩衝液（１００ｍＭ，ｐＨ１０）を適用した以外は、上記と同様の手順を行った金電極（すなわち、ポリカテコールアミンによるコーティングのない金電極）を用意した。【００４２】
本発明のセンサを用いた溶液のｐＨ測定
作製したイオン感応性センサをＦＥＴ測定器に接続し、ｐＨ１．６８、４．０１、７．４１、９．１８、１０．０１のｐＨ標準液をガラスリング内に５００μｌ入れ替えることで溶液のｐＨ変化時のＭＯＳＦＥＴにおけるゲート表面電位変化を検出した。【００４３】
本発明のイオン感応性センサを用いて、各ｐＨ標準液に入れ替えた際のゲート表面電位変化を測定した結果を、図２に示す。図２の縦軸は、ポリカテコールアミンの表面電位の変化（ｍＶ）を示し、横軸は、計測時間（秒）を示している。【００４４】
図２に示すように、本発明のイオン感応性センサは、ｐＨの変化を極めて鋭敏に検出することが示された。【００４５】
また、図２におけるゲート表面電位変化幅とｐＨの関係を図３に示した。図３に示すように、本発明のイオン感応性センサにおいては、３９〜４８ｍＶ／ｐＨとネルンスト応答に近い値を示し、ばらつきも少なかった。すなわち、本発明のイオン感応性センサは、極めて正確性の高いｐＨセンサとして機能し得ることが示された。【００４６】
すなわち、本発明のイオン感応性センサは、検出感度と正確性において、優れたｐＨセンサであることが示された。【００４７】
ポリカテコールアミン薄膜層による夾雑物除去効果
次に、本発明のイオン感応性センサが、既存のイオン感応性センサと比較して、非特異的な吸着によるノイズが大幅に低減されていることを示すための比較実験を行った。【００４８】
（夾雑物の例としてドーパミンを用いた比較実験）
本発明のイオン感応性センサのガラスリングに５００μｌのリン酸ナトリウム緩衝液（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ  ｂｕｆｆｅｒｅｄ  ｓａｌｉｎｅ、ＰＢＳ、ｐＨ７．４）を入れ、ゲート電位安定後に終濃度が１００ｎＭおよび１０μＭになるようドーパミンを添加した。
比較例として、上述の方法により作製した、ポリカテコールアミンによるコーティングのない金電極を有するイオン感応性センサを用いて同様の試験を行った。【００４９】
なお、本実験においてＰＢＳに添加した「ドーパミン」は、検出対象（水素イオン）以外の夾雑物（すなわち、電極への非特異的な吸着を引き起こす物質）の例として用いている。【００５０】
比較実験の結果を図４に示す。図４の縦軸は、ポリカテコールアミンの表面電位の変化（ｍＶ）を示し、横軸は、計測時間（秒）を示している。【００５１】
図４に示すように、本発明のイオン感応性センサは、ドーパミン（すなわち、検出非対象物質）の添加に対してゲート表面電位がほとんど反応しなかった。一方、ポリカテコールアミンによるコーティングのない金電極を有するイオン感応性センサ（比較例）は、ドーパミンの添加に反応して負方向への電位シフトが確認された。【００５２】
（夾雑物の例としてアルブミンを用いた比較実験）
本発明のイオン感応性センサのガラスリングに５００μｌのリン酸ナトリウム緩衝液（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ  ｂｕｆｆｅｒｅｄ  ｓａｌｉｎｅ、ＰＢＳ、ｐＨ７．４）を入れ、ゲート電位安定後に終濃度が１ｇ／Ｌおよび５ｇ／Ｌになるようアルブミンを添加した。
比較例として、上述の方法により作製した、ポリカテコールアミンによるコーティングのない金電極を有するイオン感応性センサを用いて同様の試験を行った。【００５３】
なお、本実験においてＰＢＳに添加した「アルブミン」は、検出対象（水素イオン）以外の夾雑物（すなわち、電極への非特異的な吸着を引き起こす物質）の例として用いている。【００５４】
比較実験の結果を図５に示す。図５の縦軸は、ポリカテコールアミンの表面電位の変化（ｍＶ）を示し、横軸は、計測時間（秒）を示している。【００５５】
図５に示すように、本発明のイオン感応性センサは、アルブミン（すなわち、検出非対象物質）の添加に対してゲート表面電位がほとんど反応しなかった。一方、ポリカテコールアミンによるコーティングのない金電極を有するイオン感応性センサ（比較例）は、アルブミンの添加に反応して負方向への電位シフトが確認された。【００５６】
以上の結果から、本発明のイオン感応性センサは、検出非対象物質の電極への非特異的な吸着を阻害し、非特異的吸着によるノイズがほぼ完全に排除できることが示された。
【符号の説明】
【００５７】
１００：ゲート電極拡張型イオン感応性センサ
１０１：電気信号検出器（ＭＯＳＦＥＴ）
１０２：配線
１０３：基板
１０４：イオン感応性電極（金電極）
１０５：ポリカテコールアミン薄膜層
１０６：参照電極
１０７：緩衝液
１０８：ゲート電極
【図１】
2018155370.tif 000003
【図２】
2018155370.tif 000004
【図３】
2018155370.tif 000005
【図４】
2018155370.tif 000006
【図５】
2018155370.tif 000007
【国際調査報告】
2018155370.tif 000008
2018155370.tif 000009
2018155370.tif 000010
2018155370.tif 000011