(57)【要約】【課題】微少な温度変化に対して大きな抵抗値変化が得られる抵抗素子を用いて酵素反応の微少温度変化を的確に検出できる酵素反応熱検出システムを提供する。【解決手段】酵素反応熱検出システムは、抵抗素子５１及び酵素溶液Ｆ１を収容した第１容器５２と、純水Ｆ２を収容した第２容器５３と、試料溶液Ｆ３を収容しこれを第１容器５２内に滴下可能な注入器５４と、第２容器５３内の純水Ｆ２を加熱するヒータ５５と、抵抗素子５１の抵抗値変化を電気信号（電圧）に変換・増幅し出力可能なブリッジ回路等の検出器５６とを備え、注入器５４から試料溶液Ｆ３を第１容器５２内の酵素溶液Ｆ１に注入したときの酵素反応熱を抵抗素子５１の抵抗値変化によって検出する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
遷移金属から選択された少なくとも２種の金属薄膜を基板上に順に重ねて成膜して多層薄膜を形成し該多層薄膜を酸化性雰囲気中で且つ選択金属に応じた温度にて焼成して金属複合膜を形成することにより製造された抵抗素子と、
該抵抗素子と酵素溶液を収容した容器と、
容器内の酵素溶液を所定温度に保持する温度保持手段と、
化学物質や生体物質等を含む試料溶液を容器内に注入する注入器と、
抵抗素子の抵抗値変化を電気信号に変換する検出手段とを備え、
注入器から第１の容器内の酵素溶液に試料溶液を注入したときの酵素反応熱を抵抗素子の抵抗値変化によって検出し得る、
ことを特徴とする抵抗素子を用いた酵素反応熱検出システム。
【請求項２】
遷移金属から選択された少なくとも２種の金属薄膜を基板上に順に重ねて成膜して多層薄膜を形成し該多層薄膜を酸化性雰囲気中で且つ選択金属に応じた温度にて焼成して金属複合膜を形成することにより製造された抵抗素子と、
該抵抗素子を収容した排水管付きの反応槽と、
反応槽を収容し所定温度で保持される恒温槽と、
酵素溶液を収容した第１の容器と、
化学物質や生体物質等を含む試料溶液を収容した第２の容器と、
第１の容器内の酵素溶液と第２の容器内の試料溶液を所定比率で反応槽内に導入する溶液導入手段とを備え、
第１の容器及び第２の容器から反応槽内に酵素溶液及び試料溶液を導入したときの酵素反応熱を抵抗素子の抵抗値変化によって検出し得る、
ことを特徴とする抵抗素子を用いた酵素反応熱検出システム。
【請求項３】
抵抗素子を製造する際の選択金属に応じた温度は、選択金属のうち最も低い沸点に近い温度である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の酵素反応熱検出システム。
【請求項４】
抵抗素子を製造する際の金属薄膜の少なくとも１つがＺｎ薄膜である、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の酵素反応熱検出システム。
【請求項５】
抵抗素子を製造する際の多層薄膜がＺｎ薄膜とＭｎ薄膜とＦｅ薄膜とから成る、
ことを特徴とする請求項４に記載の酵素反応熱検出システム。
【請求項６】
抵抗素子を製造する際の金属薄膜の少なくとも１つがＮｉ薄膜である、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の酵素反応熱検出システム。
【請求項７】
抵抗素子を製造する際の多層薄膜がＮｉ薄膜とＭｎ薄膜とＦｅ薄膜とから成る、
ことを特徴とする請求項６記載の酵素反応熱検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度によって抵抗値が変化する性質を備えた抵抗素子を用いた酵素反応熱検出システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の抵抗素子は、Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ等の金属酸化物の粉末を含有する導体ペーストをスクリーン印刷等の手法によって基板上に塗布しこれを焼成することにより製造されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来の製造方法では、ペースト塗布厚を管理することが難しく、焼成によって得られた抵抗膜の厚みを小さくするにも５０μｍが限界であると共に、得られた抵抗膜の抵抗値が数百ＭΩと高く且つ微少な温度変化に対して大きな抵抗値変化を得ることができない問題点があった。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、微少な温度変化に対して大きな抵抗値変化が得られる抵抗素子を用いて酵素反応の微少温度変化を的確に検出できる酵素反応熱検出システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するため、本発明に係る酵素反応熱検出システムは、遷移金属から選択された少なくとも２種の金属薄膜を基板上に順に重ねて成膜して多層薄膜を形成し該多層薄膜を酸化性雰囲気中で且つ選択金属に応じた温度にて焼成して金属複合膜を形成することにより製造された抵抗素子と、該抵抗素子と酵素溶液を収容した容器と、容器内の酵素溶液を所定温度に保持する温度保持手段と、化学物質や生体物質等を含む試料溶液を容器内に注入する注入器と、抵抗素子の抵抗値変化を電気信号に変換する検出手段とを備え、注入器から第１の容器内の酵素溶液に試料溶液を注入したときの酵素反応熱を抵抗素子の抵抗値変化によって検出し得る、ことをその特徴とする。
【０００６】
また、本発明に係る酵素反応熱検出システムは、遷移金属から選択された少なくとも２種の金属薄膜を基板上に順に重ねて成膜して多層薄膜を形成し該多層薄膜を酸化性雰囲気中で且つ選択金属に応じた温度にて焼成して金属複合膜を形成することにより製造された抵抗素子と、該抵抗素子を収容した排水管付きの反応槽と、反応槽を収容し所定温度で保持される恒温槽と、酵素溶液を収容した第１の容器と、化学物質や生体物質等を含む試料溶液を収容した第２の容器と、第１の容器内の酵素溶液と第２の容器内の試料溶液を所定比率で反応槽内に導入する溶液導入手段とを備え、第１の容器及び第２の容器から反応槽内に酵素溶液及び試料溶液を導入したときの酵素反応熱を抵抗素子の抵抗値変化によって検出し得る、ことをその特徴とする。
【０００７】
前者の酵素反応熱検出システムによれば、注入器から第１の容器内の酵素溶液に試料溶液を注入したときの酵素反応熱を抵抗素子の抵抗値変化によって検出することができ、また、後者の酵素反応熱検出システムによれば、第１の容器及び第２の容器から反応槽内に酵素溶液及び試料溶液を導入したときの酵素反応熱を抵抗素子の抵抗値変化によって検出することができる。何れのシステムも、抵抗素子として微少な温度変化に対して応答性が良く且つ大きな抵抗値変化が得られるものを用いることにより、エンタルピー（熱含量）の非常に小さな酵素反応熱及びその微少温度変化を高精度に検出することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、微少な温度変化に対して大きな抵抗値変化が得られる抵抗素子を用いて酵素反応の微少温度変化を的確に検出できる酵素反応熱検出システムを提供できる。
【０００９】
本発明の前記目的とそれ以外の目的と、構成特徴と、作用効果は、以下の説明と添付図面によって明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は抵抗素子の一製造方法を示すもので、以下、同図を参照してその製造方法を説明する。
【００１１】
まず、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、真空蒸着装置中でアルミナ基板１上にＺｎ薄膜２とＭｎ薄膜３とＦｅ薄膜４とを順に重ねて成膜して多層薄膜を形成する。各薄膜２，３，４の大きさは同一であり、厚みは薄膜相互の金属成分比及び焼成段階での蒸発等を考慮して決定する。
【００１２】
次に、図１（ｄ）に示すように、アルミナ基板１上に形成された多層薄膜を空気等の酸化性雰囲気中で焼成する。図２に示すように、この焼成工程は昇温，温度保持，降温の３ステップで実施し、温度保持ステップは１０００℃で３時間とし、降温勾配は昇温勾配よりも小さくした。ちなみに、焼成温度として１０００℃を選択した理由は、Ｚｎ，Ｍｎ，Ｆｅのうち沸点が最も小さなＺｎ（沸点９０７℃）の蒸発を防ぎながら多層薄膜をゆっくりと焼成するためである。
【００１３】
Ｚｎ薄膜２とＭｎ薄膜３とＦｅ薄膜４とから成る多層薄膜は温度保持ステップにおける長時間高温保持により酸化されて、隣接する薄膜相互で金属が個溶し、この結果、図１（ｅ）に示すような半導体化された金属複合膜（抵抗膜）５が形成される。この抵抗膜５の厚みは１〜２μｍで、その金属成分の重量比はＺｎ：Ｍｎ：Ｆｅ＝５０〜６５：３０〜４５：５〜１０で好ましくは５９：３５：６である。
【００１４】
次に、図１（ｆ）に示すように、上記同様の真空蒸着装置中でアルミナ基板１上に電極用の一対のＡｇ薄膜６を抵抗膜５の端部と重なるように形成する。以上で図１（ｇ）に示すような抵抗素子、即ち、電極６付きの抵抗膜５がアルミナ基板１上に形成された抵抗素子を得ることができる。
【００１５】
図３には上記抵抗膜５の抵抗値・温度特性を、湿度条件別（湿度５０％Ｒ．Ｈ．と湿度７０％Ｒ．Ｈ．）に示してある。同図から分かるように、湿度７０％Ｒ．Ｈ．のときの抵抗値は湿度５０％Ｒ．Ｈ．のときに比べて全体的に低くなる傾向があるが、何れの場合もほぼ一定の負の温度係数を有しており、微少な温度変化に対して大きな抵抗値変化を得ることができる。図示を省略したが、Ｚｎ含有の上記抵抗膜５は安定した抵抗率（Ω・ｃｍ）を有している。
【００１６】
上述の製造方法によれば、Ｚｎ薄膜２とＭｎ薄膜３とＦｅ薄膜４とから成る多層薄膜を酸化性雰囲気中で高温焼成することにより、これを酸化し半導体化させて所期の抵抗膜５を得ているので、金属粉末を含有する導体ペーストを基板上に塗布しこれを焼成して抵抗膜を得る従来法に比べて、抵抗膜５の厚みを格段薄くできると共に、導体ペーストを調製したりペースト塗布厚を管理する面倒を排除して製造手順を簡略化できる。
【００１７】
また、金属薄膜の１つとしてＺｎ薄膜２を用いることにより、焼成後の抵抗膜５の温度依存性をより顕著なものとし、常温付近での抵抗値が数１０ＭΩと比較的低く且つ微少な温度変化に対して大きな抵抗値変化が得られる抵抗素子を得ることができる。
【００１８】
図４は抵抗素子の他の製造方法を示すもので、以下、同図を参照してその製造方法を説明する。
【００１９】
まず、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、真空蒸着装置中でアルミナ基板１１上にＮｉ薄膜１２とＭｎ薄膜１３とＦｅ薄膜１４とを順に重ねて成膜して多層薄膜を形成する。各薄膜１２，１３，１４の大きさは同一であり、厚みは薄膜相互の金属成分比及び焼成段階での蒸発等を考慮して決定する。
【００２０】
次に、図４（ｄ）に示すように、アルミナ基板１１上に形成された多層薄膜を空気等の酸化性雰囲気中で焼成する。この焼成工程は図２に示したものと同様に昇温，温度保持，降温の３ステップで実施し、温度保持ステップは１０００℃で３０〜３００分とし、降温勾配は昇温勾配よりも小さくした。図５及び図６に示すように、温度保持時間を３０分とすると抵抗率が最も小さな抵抗膜を得ることができる。
【００２１】
Ｎｉ薄膜１２とＭｎ薄膜１３とＦｅ薄膜１４とから成る多層薄膜は温度保持ステップにおける長時間高温保持により酸化されて、隣接する薄膜相互で金属が個溶し、この結果、図４（ｅ）に示すような半導体化された金属複合膜（抵抗膜）１５が形成される。この抵抗膜１５の厚みは０．６〜１．５μｍで、その金属成分の重量比は全体と６とし、各成分が１〜４の値をとるとした場合においてＮｉ：Ｍｎ：Ｆｅ＝２以上：４以下：２以下である。
【００２２】
次に、図４（ｆ）に示すように、上記同様の真空蒸着装置中でアルミナ基板１１上に電極用の一対のＡｇ薄膜１６を抵抗膜１５の端部と重なるように形成する。以上で図１（ｇ）に示すような抵抗素子、即ち、電極１６付きの抵抗膜１５がアルミナ基板１１上に形成された抵抗素子を得ることができる。
【００２３】
図５には金属成分の重量比をＮｉ：Ｍｎ：Ｆｅ＝３：１：２とした上記抵抗膜１５の湿度５０％Ｒ．Ｈ．における抵抗値・温度特性を、焼成温度保持時間別（３０分と１２０分と３００分）に示してある。また、図６には金属成分の重量比をＮｉ：Ｍｎ：Ｆｅ＝３：２：１とした上記抵抗膜１５の湿度５０％Ｒ．Ｈ．における抵抗値・温度特性を、焼成温度保持時間別（３０分と１２０分と３００分）に示してある。同図から分かるように、焼成温度保持時間が短くなるに従って抵抗値が全体的に低くなる傾向があるが、何れの場合もほぼ一定の負の温度係数を有しており、微少な温度変化に対して大きな抵抗値変化を得ることができる。図示を省略したが、Ｎｉ含有の上記抵抗膜１５は安定した抵抗率（Ω・ｃｍ）を有しており、該抵抗率の値はＺｎ含有の抵抗膜に比べて１桁以上低い。
【００２４】
上述の製造方法によれば、Ｎｉ薄膜１２とＭｎ薄膜１３とＦｅ薄膜１４とから成る多層薄膜を酸化性雰囲気中で高温焼成することにより、これを酸化し半導体化させて所期の抵抗膜１５を得ているので、金属粉末を含有する導体ペーストを基板上に塗布しこれを焼成して抵抗膜を得る従来法に比べて、抵抗膜１５の厚みを格段薄くできると共に、導体ペーストを調製したりペースト塗布厚を管理する面倒を排除して製造手順を簡略化できる。
【００２５】
また、金属薄膜の１つとしてＮｉ薄膜１２を用いることにより、焼成後の抵抗膜１５の温度依存性をより顕著なものとし、常温付近での抵抗値が数十ＭΩと比較的低く且つ微少な温度変化に対して応答性が良く且つ大きな抵抗値変化が得られる抵抗素子を得ることができる。
【００２６】
尚、図１及び図４に示した製造方法では、何れも多層薄膜を焼成した後に電極を形成するようにしたものを例示したが、図７に示すような手順にて電極を形成するようにしてもよい。つまり、同図（ａ）に示すように、アルミナ基板２１上に金属薄膜２２，２３，２４から成る多層薄膜を形成した後に、同図（ｂ）に示すように、Ａｇ粉末を含有した導体ペースト２５を多層薄膜の端部と重なるように塗布しこれを１３０℃で１０分間乾燥させてから、同図（ｃ）に示すように、アルミナ基板２１上の多層薄膜及び導体ペーストを空気等の酸化性雰囲気中で先の製造方法と同様に焼成するようにしてもよい。導体ペースト２５は温度保持ステップにおける長時間高温保持により焼結して電極２７となる。また、各金属薄膜２２とＭｎ薄膜２３とＦｅ薄膜２４とから成る多層薄膜は温度保持ステップにおける長時間高温保持により酸化されて、隣接する薄膜相互で金属が個溶し、この結果、半導体化された金属複合膜（抵抗膜）２６が形成される。
【００２７】
また、図１及び図４に示した製造方法では、多層膜の焼成温度を１０００℃としたが、１０００℃以上の温度で焼成しても所期の抵抗膜を得ることは可能である。勿論、先に述べたように、抵抗率を低く抑えるためには１０００℃付近で温度保持し焼成することが好ましい。
【００２８】
さらに、図１，図４及び図７に示した製造方法では、３層構造の多層薄膜を形成したものを例示したが、２層または４層以上の多層薄膜を形成してこれを焼成するようにしてもよく、薄膜として形成する金属の種類は遷移金属から任意に選択できる。
【００２９】
図８は上述の抵抗素子を用いた酵素反応熱検出システムの一構成例を示すものである。
【００３０】
同図において、５１は図１（ｇ）や図４（ｇ）や図７（ｄ）に示した抵抗素子で、防水のためにその表面をエポキシ系等の樹脂でコーティングしてある。５２は抵抗素子５１及び酵素溶液Ｆ１を収容した第１容器、５３は純水Ｆ２を収容した第２容器、５４は試料溶液Ｆ３を収容しこれを第１容器５２内に滴下可能な注入器、５５は第２容器５３内の純水Ｆ２を加熱するヒータ、５６は抵抗素子５１の抵抗値変化を電気信号（電圧）に変換・増幅し出力可能なブリッジ回路等の検出器である。ちなみに、検出器５６からの検出信号は記録計等に出力され、経時的な温度変化が記録される。
【００３１】
第２容器５３内の純水Ｆ２の温度はヒータ５５のオンオフ制御によって３５℃に保たれ、これにより第１容器５２内の酵素溶液Ｆ１の温度も同温度（酵素の活性温度）に保たれている。また、試料溶液Ｆ３は生体物質や化学物質等を水等の溶媒に混入したもので、ここでは酵素溶液Ｆ１と試料溶液（例えば尿素溶液）Ｆ３の濃度をそれぞれ１０ｍｇ／ｍｌ，５０ｍｇ／ｍｌとした。
【００３２】
注入器５４から試料溶液Ｆ３を第１容器５２内の酵素溶液Ｆ１に注入すると、酵素反応により温度変化が生じ、この温度変化は抵抗素子５１の抵抗値の変化となって現れる。この抵抗素子５１の抵抗値変化は検出器５６から電気信号（電圧）として出力されるので、この出力電圧を利用すればエンタルピー（熱含量）の非常に小さな酵素反応熱を高精度で検出することができる。
【００３３】
図９は酵素溶液Ｆ１に試料溶液Ｆ３（尿素溶液）を注入したときの出力電圧と時間との関係を示してある。ちなみに、試料溶液Ｆ３の注入量は０．０１ｍｌで注入ポイントは１７０秒である。同図から分かるように、酵素溶液Ｆ１に試料溶液Ｆ３を注入したとき出力電圧に著しい変化が現れるので、この出力電圧を利用すればエンタルピー（熱含量）の非常に小さな酵素反応熱を高精度で検出することができる。
【００３４】
図１０は上述の抵抗素子を用いた酵素反応熱検出システムの他の構成例を示すものである。
【００３５】
同図において、６１は図１（ｇ）や図４（ｇ）や図７（ｄ）に示した抵抗素子で、防水のためにその表面をエポキシ系等の樹脂でコーティングしてある。６２は抵抗素子６１を収容した反応槽、６３は反応槽６２に一端を接続された熱交換器、６４は酵素溶液Ｆ１１を収容し反応槽６２と熱交換器６３との間に接続された第１容器、６５は試料溶液Ｆ１２を収容し熱交換器６３の他端に接続された第２容器、６６は反応槽６２に接続された排水管、６７は前記反応槽６２及び熱交換器６３を収容した恒温槽、６８は抵抗素子６１の抵抗値変化を電気信号（電圧）に変換・増幅し出力可能なブリッジ回路等の検出器である。ちなみに、検出器６８からの検出信号は記録計等に出力され、経時的な温度変化が記録される。
【００３６】
恒温槽６７内の温度は例えばＰＩＤ制御等によって一定の３５℃に保たれ、これにより反応槽６２及び熱交換器６３の温度も同温度（酵素の活性温度）に保たれている。また、試料溶液Ｆ１２は生体物質や化学物質等を水等の溶媒に混入したもので、ここでは酵素溶液Ｆ１１と試料溶液Ｆ１２の濃度をそれぞれ１０ｍｇ／ｍｌ，５０ｍｇ／ｍｌとした。
【００３７】
第１容器６４下側のバルブと第２容器６５下側のバルブを開けると、第１容器６４内の酵素溶液Ｆ１１と第２容器６５内の試料溶液Ｆ１２とが下方に流れ、反応槽６２の手前で合流した後に該反応槽６２内に導入される。第１容器６４と第２容器６５の配管が恒温槽６７内にあり、しかも第２容器６５と反応槽６２との間には温度安定化を図るための熱交換器６３を介装してあるので、反応槽６２内には安定した温度の酵素溶液Ｆ１１と試料溶液Ｆ１２を導くことができる。また、酵素溶液Ｆ１１と試料溶液Ｆ１２の流量及び混合比率はバルブ開度の他、配管の管径によっても適宜調整することができる。
【００３８】
合流後の酵素溶液Ｆ１１と試料溶液Ｆ１２が反応槽６２内に導入されると、該反応槽６２内では酵素反応により温度変化が生じ、この温度変化は抵抗素子６１の抵抗値の変化となって現れる。反応後の酵素溶液Ｆ１１と試料溶液Ｆ１２は排水管６６から排出される。
【００３９】
この抵抗素子６１の抵抗値変化は検出器６８から電気信号（電圧）として出力されるので、この出力電圧を利用すればエンタルピー（熱含量）の非常に小さな酵素反応熱を高精度で検出することができる。また、恒温槽６７内に反応槽６２を設けて、該反応槽６２内に酵素溶液Ｆ１１と試料溶液Ｆ１２を導くようにしているので、反応槽６２の温度設定や温度保持がコントロールし易い。さらに、反応槽６２内に導入される酵素溶液Ｆ１１と試料溶液Ｆ１２の定量化を図れるので、安定した条件下で所期の熱検出を行うことができる。
【００４０】
尚、図１０に示した酵素反応熱検出システムでは、バルブ開度や配管径によって各溶液の流量を調整するのを例示したが、図１０に破線で示すように排水管６６にマイクロポンプ等の排水手段６９を設ければ、該排水手段６９により各溶液の流量をより安定させて熱検出精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】抵抗素子の一製造方法を示す図である。
【図２】焼成工程における温度と時間との関係を示す図である。
【図３】図１に示した抵抗素子の抵抗値・温度特性を示す図である。
【図４】抵抗素子の他の製造方法を示す図である。
【図５】図４に示した抵抗素子の抵抗値・温度特性を示す図である。
【図６】図４に示した抵抗素子の抵抗値・温度特性を示す図である。
【図７】抵抗素子の製造方法の変形例を示す図である。
【図８】熱検出システムの一構成例を示す図である。
【図９】図８に示した熱検出システムの出力電圧と温度との関係を示す図である。
【図１０】熱検出システムの他の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…基板、２…Ｚｎ薄膜、３…Ｍｎ薄膜、４…Ｆｅ薄膜、５…抵抗膜、６…電極、１１…基板、１２…Ｎｉ薄膜、１３…Ｍｎ薄膜、１４…Ｆｅ薄膜、１５…抵抗膜、１６…電極、２１…基板、２２，２３，２４…金属薄膜、２５…導体ペースト、２６…抵抗膜、２７…電極、５１…抵抗素子、５２…第１容器、５３…第２容器、５４…注入器、５５…ヒータ、５６…検出器、Ｆ１…酵素溶液、Ｆ３…試料溶液、６１…抵抗素子、６２…反応槽、６３…熱交換器、６４…第１容器、６５…第２容器、６６…排水管、６７…恒温槽、６８…検出器、６９…マイクロポンプ、Ｆ１１…酵素溶液、Ｆ１２…試料溶液。
【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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