(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元アレイを構成する微小電極の表面に設けられた有機薄膜を有する回路を備えるセンサーデバイスの作成方法であって、
該微小電極表面上に金薄膜をパターニングするステップと、
自己組織的集合現象を利用して該金薄膜上にチオール分子による機能性単分子膜を形成するステップと、
該微小電極表面上に形成された機能性単分子膜にビオチン誘導体を導入してビオチン分子膜を形成するステップと、
インクジェットノズルにより該ビオチン分子膜にアヴィヂン−フェリチン結合蛋白溶液を吐出してフェリチン蛋白質分子膜を形成するステップと、を備えたことを特徴とするセンサーデバイス作成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記微小電極および前記回路は、プラスティック基板上に形成されるセンサーデバイス作成方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、
前記回路は、ポリシリコン薄膜トランジスタを備えるセンサーデバイス作成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は微量物質検出装置に係わり、特に生体分子材料や他の有機物質などを高感度にかつリアルタイムで検出できる材料認識装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体情報を瞬時にモニターする方法としてバイオーセンサーシステムの研究開発が現在に至るまで精力的に研究及び実用化開発が進められている。バイオセンサーの基本構成は生体物質検出部分と信号変換部分に分れる。生体物質はバイオセンサーの認識要素で複雑化されることで生体分子の認識機能をもたらし、信号変換部では生体物質の認識によって生じた変化が電気信号に変換される。 分子認識できる生体物質の種類は多く、酵素、抗体、結合たん白質、レクチン、レセプターなどがある。これらは大きくわけて２種類に分類される。 第一に、分子認識機能および／または触媒機能を有する生体物質である。酵素、複合酵素系、細胞内小器官、微生物細胞、動物細胞、植物細胞などが含まれ、これらの触媒機能は酵素独自の構造に由来するものであり、基本的にはミカエリスーメンテンの反応速度式によって近似できる。第二は分子認識機能を有し生物親和性によって安定な複合体を形成する生成物質である。抗体、レクチン、結合たん白質、レセプターなどが含まれる。バイオーセンサーの基本設計には以上の特性が考慮されながら進められる。
昨今のバイオテクノロジーの進展によって利用できる生体物質もさらに広がり、耐熱性酵素、モノクロナール抗体なども利用できるようになった。これら、分子認識された情報を電気信号変換するために、電気化学反応、ＦＥＴ、サーミスター、ピエゾ素子、表面弾性波素子フォトダイオードなどの物理量変換素子が利用される。
【０００３】
しかし、上記した従来のバイオセンサーデバイスには以下に述べるような技術的問題がともなっていた。 まず、これら分子認識薄膜を作成する方法としてはフォトレジスト法、電解重合法、ＬＢ膜法などがある。フォトレジスト法はＩＳＦＥＴ（イオン感応性電界効果型トランジスター）電極表面全面にフォトレジスト膜を形成させ、リソグラフィーによってゲート部分のみ露出させて、ゲート絶縁膜に密着性のよい分子認識膜（有機薄膜または生体分子薄膜）を形成させる。その後、フォトレジスト層を剥離してやれば、分子認識膜はゲート部分のみ残り、センサーとして使用できる。ところがこの方法では分子認識膜の微小ドット電極をきれいに形成させるのが困難で、この方法を使用することが微小ドットにおける微小なエッジ部のしあがりの悪さ、歩留まりの低下、さらにはリソグラフィー法による材料の浪費を招いていた。すなわち９９％の光硬化性樹脂が実際に使用されず廃棄され、それは地球資源を浪費し、自然環境の汚染を招いていた。これは大きな問題である。 ＬＢ膜法（ラングミュワ−ブロジェット膜法）は水面下に単分子膜を形成させ固体基板表面上に写し取る方法であるが、この方法を効率的にするには単分子膜を構成する分子が疎水性と親水性のバランスのとれた構造をもっていなければならない。ところがこの方法は、これによって生産されたＬＢ膜の品質信頼性に問題がある。つまり膜上には無数のぬけや穴があるため、均一な分子膜は構築できない。したがって、電極上に形成された分子認識膜としての変化と電極上での変化の区別がむずかしくなる問題がある。
【０００４】
さらに、これらの方法で作成されたセンサー膜は１種類のみの分子認識膜であり、この膜に対応する１種類のみの生体物質しか認識できない。また同時に異なる生体物質を複数の電極に導入することはこれらの方法では不可能であり、操作性、検出効率性の点からも問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は上記不都合に鑑み、従来とは異なるセンサーの分子認識膜作成方法を導入し、かつ生体物質検出手段として従来とは異なる方法を導入することを目的とする。
【０００６】
すなわち、本発明の第１課題は、従来の方法とは異なってセンサー電極上に分子認識膜を効率よく短時間に、均一で品質の高い状態で形成する方法を提供するものである。
【０００７】
また、本発明の第２課題は、上記の新しい分子認識膜作成法によって形成された複数の微小なセンサー電極ドット上に短時間に、効率よく、評価検出するべき膨大な生体サンプルを正確に導入する方法を提供することである。
【０００８】
本発明によれば、二次元アレイを構成する微小電極の表面に設けられた有機薄膜を有する回路を備えるセンサーデバイスの作成方法であって、該微小電極表面上に金薄膜をパターニングするステップと、自己組織的集合現象を利用して該金薄膜上にチオール分子による機能性単分子膜を形成するステップと、該微小電極表面上に形成された機能性単分子膜にビオチン誘導体を導入してビオチン分子膜を形成するステップと、インクジェットノズルにより該ビオチン分子膜にアヴィヂン−フェリチン結合蛋白溶液を吐出してフェリチン蛋白質分子膜を形成するステップと、を備えたことを特徴とするセンサーデバイス作成方法が提供される。
【０００９】
ここで本発明において、上記微小電極および回路は、プラスティック基板上に形成されることは好ましい。
【００１０】
本発明において、上記回路は、ポリシリコン薄膜トランジスタを備えることは好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための最小の形態を、図面を参照して説明する。図１、２、３、４、５及び６に、実施形態のセンサーデバイスの構造を説明する部分図を示す。 図１にはインクジェットヘッドの略図を示している。１０はインクジェットヘッド、１１はインク滴を飛び出させるヘッドノズル、１２は電極上に形成される導電性ポリマー、１３はＴＦＴ微小電極、１４はインクジェットノズルより形成される飛翔液滴である。インクジェットヘッドはピエゾ圧電素子を取り付けた方式で、駆動回路より電気信号が圧電素子に送られると圧電素子は変形して内部にある液体がその変形圧力によって押し出されて液体がノズルより吐出する。
【００１７】
この場合、導電性ポリマーの溶液をインクジェットノズルよりマイクロドット溶液として吐出させ、パターニングされた微小電極上に飛翔させたポリマー溶液を、正確に到達させ液滴として固定化させる。使用する導電性ポリマーは例えばポリピロール、ポリメチルピロール、ポリチオフェン、ポリメチルチオフェン、ポリアニリン及びポリフェニレンビニレンなどが挙げられる。導電性ポリマー溶液の作成はポリマーの種類によっては有機溶媒に溶けないものもあり、溶けないものについて若干の工夫が必要である。たとえばここではポリピロールの場合について述べる。0.30mmolピロールのＴＨＦ（テトラヒドロフラン）溶液と反応触媒である0.25mmolりんモリブデン酸及び30mgの可塑剤を含むＴＨＦ溶液それぞれ別のインクジェットタンクに窒素パージして導入し、微小電極上にそれぞれの溶液を吐出させる。２種類の異なる溶液のドットが電極上で混合液となって１時間室温にて放置すると溶媒が蒸発して固形化したポリマー薄膜ができる。その後薄膜表面をＴＨＦまたはメタノールで洗浄し、残留触媒、未反応モノマーを除去する。他有機溶媒に解ける導電性ポリマーについては溶液粘度が３cps以下に成るような濃度で調整してインクタンクに導入して吐出させる。導電性ポリマーの選択的吸着能を導入させるために、このポリマーに、化学的に結合された特定の酵素分子や抗体分子またはそれらの認識機能と同じ類似人工合成分子を含むものまたは／並びに導電性ポリマーに特定の酵素分子や抗体分子を混合させたものを溶液中に溶かし込み均一溶液をつくる。ポリマー酵素・抗体混合溶液として、いろいろな導電性ポリマーマイクロドットをインクジェットノズルより飛翔転写させた後、溶媒を蒸発させて無数のセンサーピクセルから形成されるバイオセンサーフィルムができる。各導電性ポリマーで覆われた微小電極の電気的インピーダンスや電流の変化は表面に吸着された結合蛋白質、抗体、ＤＮＡ、レセプターなどの生体分子凝集膜の影響によってそれぞれ個別に変化するため、各ピクセル上にある物質が何か簡単に検出される。図２には測定サンプル溶液を各微小電極上に飛翔させるためのインクジェットの模式図を示している。２１はインクジェットヘッド、２２はノズル、２３は微小電極、２４はサンプル溶液、２５はサンプルの飛翔液滴である。
【００１８】
最初の分子認識膜を電極上に形成させるのと同様にインクジェットノズルより溶液サンプルのマイクロドットを飛翔、導電性ポリマーの分子認識膜上に転写させて、導電性ポリマー上に形成された生体分子膜の影響で変化する個々の電極上でのインピーダンスや微小電流の変化を検出して、短時間で膨大なサンプルを評価解析できる。
【００１９】
たとえば、これらの微小電極パターンは異なる複数の導電ポリマー溶液をマルチラインヘッドノズルより飛翔させて、例えば１０種類の異なるセンサーピクセルよりなる各数百のラインドットを形成させることが可能である。
【００２０】
図３は半導体回路と同じ基板表面上に形成された異なる導電性ポリマーの複数ラインからなる２次元センサーとその上に形成される生体サンプルドット固定化の方法を示す模式図である。この図にあるように、横方向には５種類の異なる導電性ポリマーが５回繰り返しで並んでおり計２５ドットあるとする。これが縦方向に同じく２５ドットライン分基板表面いっぱいに形成される。この微小電極センサードット上に、今度は５種類の生体サンプルを同じく５回繰り返しで計２５ドット縦軸から横方向にインクジェットノズルによってマイクロドットとして飛翔させて、電極上でそれぞれの表面吸着変化をモニターすれば、短時間にリアルタイムでそれぞれの生体サンプルの生化学的性質、反応性などを多数回同時に測定評価できる。この場合、２５通りの組み合わせについてそれぞれ２５回分のデータが得られる。また、仮に１０種類の異なる導電性ポリマーから成る微小電極ライン上に１０種類の生体サンプルを対応させると１００通りの組み合わせ測定が１度にでき、例えばそれぞれ５回繰り返しパターンを形成させると１００通りの組み合わせ測定それぞれについて２５回分の再現性測定データ数が得られる。
【００２１】
それではこのようにして形成されたセンサーデバイスアレイのデータ計測方法を説明する。図４には、抵抗センサーアレイを計測する回路の単純なブロック図を示す。図中の主な機能は、抵抗センサーマルチプレクサー部、信号処理回路部、パターン認識部に大別される。つまり、多チャンネル抵抗から１つのチャンネルの信号を取り出し処理し、認識することがこのブロック図の機能である。従ってインピーダンスの変化を正確に検出することがまず重要となる。
【００２２】
最も単純で精密な抵抗検出方法は種々のブリッジ法であるが、この方法は抵抗の変化を図る目的には適していない。その他の方法として抵抗―周波数変換があるが、ノイズの問題があるのと計測時間がかかりすぎる欠点がある。抵抗変化を検出する一般的な方法としては図５に示したような電圧モードの回路が知られている。この回路においては、特定の抵抗センサーを選択しそれに一定の電流を流し電圧をモニターする。すると電圧は抵抗に比例するので、電圧変化を測ることで抵抗変化を検出することができる。抵抗の変動値を測るためにセンサーのベースとなる電圧は差動アンプにより差し引いておくとよい。次に差動信号は高利得のアンプで増幅される。図５の回路の感度はアンプの電圧利得に比例し、次の式で与えられる。
【００２３】
V0 = A(ISRS - Voff)
すなわち、
（δV0 / δRS） = AIS
抵抗変化を検出するもう一つの別な方法として、電流モードの測定方法がある。図６にその回路図を示す。ここでは選択した抵抗センサーにある一定の電圧を印可しておく。抵抗変化を測定するには、一定の電流を電源からオフセット電流として流しておき、電流の差を信号として取り出しそれを増幅する。回路の感度はアンプの電流利得とセンサーの抵抗に比例する。
【００２４】
I0 = A(Ioff - VS / RS)
すなわち、
（δI0 / δRS）= AS / RS2 = AIS / RS
このような電流検出法は電圧検出法に比較して自由度が高く、以後の信号処理が単純になる利点がある。
【００２５】
このような半導体回路は通常単結晶シリコン基板上に形成される電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）素子によって構成されるが、近年多結晶シリコン（Ｐ−Ｓｉ）薄膜を利用した薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の性能が飛躍的に向上しており、多結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ（Ｐ−ＳｉＴＦＴ）によってこのような回路を形成できるようになった。Ｐ−ＳｉＴＦＴの性能は原理的には単結晶ＦＥＴと同じレベルまで向上しており、さらに低温ポリシリコン製造法の導入により大面積のガラス基板等を用いることができる。そのため大幅なコストダウンが可能になり本発明のようなセンサーデバイスに適している。
【００２６】
基板についてはガラス基板だけでなく柔軟性、屈曲性のある薄いプラスチック基板にもＴＦＴ微小電極が作成できる。
【００２７】
この基板上に形成された微小ＴＦＴ電極は溶液サンプルのみでなく、多様なガス分子、揮発性物質についても認識、動作可能である。すなわち導電性ポリマー表面にてそれぞれの揮発した分子が吸着されると導電膜の電気抵抗が同じく変化して電気信号として認識できる。例えば、エタノール、アセトン、また塩素ガス、シアンガスなどの有毒ガス、さらには香水や他の発臭剤を含む芳香性分子の蒸気を認識するのにも使用できる。正確を期せば、このセンサーデバイスフィルムを、あるガスまたは蒸気雰囲気下に放置すると吸着ガス分子は導電性ポリマー表面から内部に浸透してポリマー膜全体が膨張／収縮をした後、その体積および／またはその他の特性を変化させ、膜の電気抵抗を変化させる。これらの変化を電気信号検出してコンピュータを通せば、認識された情報をすばやくフィードバックできる。
【００２８】
電界効果ＴＦＴから構成される幾つかのセンサーアレイを、発臭剤その他の分子の同時認識や分類、計量のために使用することも可能である。これらのセンサは化学物質を検出する他のセンサと相互に結合して使用してもよい。ＴＦＴセンサは単一の素子に集積化されていてもよい。異なる導電性ポリマーはインクジェット技術を使用してＴＦＴセンサのゲート上に配置される。ＴＦＴアレイの他の形体としては、臭気反応用の二次元マップを生成するパターンに構成されているものである。各ＴＦＴからの出力はＣＣＤカメラの画素からの出力に似たものとなる。異なる導電性ポリマーは芳香剤などの化学物質のグループや階層に特化した素子を製造するためにアレイの異なる領域上に形成される。分子がそれらポリマーと結合したり反応したりすると、特定の臭気に対応した二次元マップが現れる。
【００２９】
ＴＦＴチップは駆動および読取用の電子回路を備える必要がある。臭気分子の情報は直接読み取られたり、例えば高感度で臭気分子を検出するためにニューラルネットワークや古典的画像処理技術を使用して処理されたりする。このようにして異なる臭気の濃度と特有な分子構造についての情報が得られる。
【００３０】
図７は各種検出機能を持つセンサー薄膜を微小電極上に形成させた模式図である。７１は導電性ポリマー膜、７２は電極Ａ，Ｂである。各微小電極のサイズは１−１００ミクロン角範囲で形成させておく。インクジェットノズルより吐出したポリマー溶液電極上に固定化、薄膜化される。この導電性ポリマー膜表面上に生体分子などが吸着されてその影響で発生する抵抗値変化、電流変化を上記の検出方法でモニターする。
【００３１】
また、微小電極表面にシリコン系機能性表面修飾剤溶液をインクジェットノズルより吐出させて設けられたシリコン系機能性分子膜に選択的に化学吸着した生体分子から電極表面へ電子移動を起こすことによって、表面上に吸着した物質を選択的に検出することもできる。図７と基本的には同じ構成で、電極上に形成されたシリコン系機能性分子膜上に選択的に結合、吸着した電子移動性たん白質分子、例えば チトクロームＣから発生する電子移動がもたらす微小電流変化によって、電極表面上での蛋白質吸着がモニターできる。
【００３２】
また、微小電極表面上に金薄膜をパターニングして、その上にはチオール分子と金との間で自己組織的集合現象によってできた機能性単分子膜を設けてもよい。微小電極上に形成された金薄膜上に自己集積したチオール分子膜の分子膜先端にある化学官能基は特定の生体分子または揮発性分子が選択的に認識できる機能を持っている。例えば、チオール分子先端の官能基にビオチン誘導体を導入する。ビオチン分子はアヴィヂン、ストレプトアヴィヂンの結合部位と特異的に強い結合力を示し、結合定数は約1015を示す。これはほぼ共有結合に匹敵する強さである。このビオチン分子膜上に例えば、アヴィヂン−フェリチン 結合たん白質溶液をインクジェットノズルより転写させるとアヴィヂンとビオチンとが選択的に吸着されフェリチン蛋白質分子は電極上に固定化される。ここに選択吸着された分子によって分子膜全体の屈折率変化を引き起こし、この情報は吸着分子膜の誘電率変化として捕らえられ、つまり微小電極を分極性薄膜（キャパシター）として利用することでセンサとして機能させることが可能になる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の方法とは異なって微小センサー電極上に分子認識膜を効率よく短時間に、均一で品質の高い状態で形成する方法を提供できる。また、本発明によれば、上記の新しい分子認識膜作成法によって形成された複数の微小なセンサー電極ドット上に短時間に、効率よく、評価検出するべき膨大な生体サンプルを正確に導入する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のインクジェット方式による微小な導電性ポリマー電極作成法を示す模式図である。
【図２】  本発明のインクジェット方式による機能液体サンプル解析法を示す模式図である。
【図３】  本発明のインクジェット方式による導電性ポリマー電極上での複数の機能液体サンプルを短時間で解析する方法を示す模式図である。
【図４】  本発明のマイクロセンサーデバイスのデータ計測原理を示すブロック図である。
【図５】  本発明のマイクロセンサーデバイスにおけるデータ計測用電子回路を示す図である。
【図６】  本発明のマイクロセンサーデバイスにおけるデータ計測用電子回路を示す図である。
【図７】  本発明のマイクロセンサーデバイスにおける各種検出機能を持つセンサー薄膜を微小電極上に形成させた模式図である。
【符号の説明】
１０  インクジェットヘッド
１１  ノズル口
１２  導電性ポリマー膜
１３  微小電極
１４  インクジェット液滴
１５  センサー基板
２０  インクジェットヘッド
２１  ノズル口
２２  導電性ポリマー膜
２３  微小電極
２４  インクジェット液滴
２５  基板
２６  被測定機能液体
３０  マイクロセンサーフィルム
５０  検出用機能性薄膜
６０  検出用機能性薄膜
７０  導電性ポリマー薄膜
７１  電極Ａ
７２  電極Ｂ
【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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