(57)【要約】【課題】生体高分子やナノ構造体は非常に小さく、且つデリケートな物質である。従って、これらの物質に後処理プロセスとして電極を配置させることは非常に難しい。また、従来法では緻密な膜構造となり、センサーへ適用した場合、被検物の侵入をブロックしてしまう。【解決手段】  成膜時に基板に与えるエネルギーが非常に小さなラングミュア・ブロジェット（ＬＢ）法を用いた導電性薄膜作製を行なうことで、ナノ構造体や生体高分子への影響を排除する。特定の分子の組み合わせにより、水面上で化学反応が進行して高い電気伝導度を持つ超薄膜が形成される。これをＬＢ法により基板上に累積することで基板上に固定されたナノ構造体や生体高分子への電気的な接触を確立する。またＬＢ膜の超薄膜性と構造上の特徴から、被検物の侵入を許し、生体高分子およびナノ構造体の脱離は防止するという利点が生ずる。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水面上で成膜を行なうラングミュア・ブロジェット膜（以下、「ＬＢ膜」という。）を用いて、生体高分子およびナノ構造体への電気的な接触をナノレベルの超薄膜で確立する技術。
【請求項２】
前記ＬＢ膜が，チアフルバレン誘導体またはセレナフルバレン誘導体と長鎖脂肪酸から構成される、請求項１記載のLB膜。
【請求項３】
前記ＬＢ膜が，チアフルバレン誘導体またはセレナフルバレン誘導体と長鎖スルホン酸から構成される、請求項１記載のLB膜。
【請求項４】
前記テトラチアフルバレン誘導体またはテトラセレナフルバレン誘導体が、４，５−エチレンジオキシ−４’，５’−エチレンジチオテトラチアフルバレン（ＥＯＥＴ−ＴＴＦ）、ビス−エチレンジオキシ−テトラチアフルバレン（ＢＥＤＯ−ＴＴＦ）、エチレンジチオ−テトラチアフルバレン（ＥＤＴ−ＴＴＦ）、ビス−エチレンジオキシ−テトラセレナフルバレン（ＢＥＤＯ−ＴＳeＦ）、ビス−エチレンジオキシ−ジセレナジチアフルバレン（ＢＥＤＯ−ＳＦＴ）、エチレンジセレノ−エチレンジオキソ−テトラチアフルバレン（ＥＯＥＳe−ＴＴＦ）のいずれか一つまたは二つ以上の混合分子から構成される、請求項２または請求項３記載のLB膜。
【請求項５】
前記長鎖脂肪酸または前記長鎖スルホン酸は１２個以上の炭素原子で構成されるアルキル基を有することを特徴とする、請求項２〜４記載のＬＢ膜。
【請求項６】
前記チアフルバレン誘導体またはセレナフルバレン誘導体と、前記長鎖脂肪酸または長鎖スルホン酸を、水の液面上に展開することによってＬＢ膜を形成することを特徴とする、請求項２〜５記載のＬＢ膜。
【請求項７】
前記チアフルバレン誘導体またはセレナフルバレン誘導体と、前記長鎖脂肪酸または長鎖スルホン酸が、水の液面上に展開された際、チアフルバレン誘導体またはセレナフルバレン誘導体による部分電荷移動状態が水面上で自発的に形成されることで電気伝導特性を帯びる、請求項２〜５記載のＬＢ膜。
【請求項８】
基板上に固定された生体高分子またはナノ構造体に対し、前記導電性LB膜で覆うことにより、基板上に配置された電極との間の電気的接触を確立する、請求項１の技術。
【請求項９】
基板上に固定された生体高分子またはナノ構造体に対し、前記導電性LB膜で覆うことにより、分子数１万以上の分子を透過させない超薄膜フィルターとして機能する、請求項１の技術。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体高分子およびナノ構造体への電気的な接触をナノレベルの超薄膜で確立する技術である。
【背景技術】
【０００２】
生体高分子やナノ構造体は非常に小さく、且つデリケートな物質である。従って、これらの物質に後処理プロセスとして電気的接触を確立することは非常に難しい。例えば、通常の金属電極形成に用いられる蒸着法、スパッタリング法、メッキ法、CVD法、などでは成膜時に加わるエネルギーが大きく、真空中や電場印加などの特殊な条件下で行なわれるため、生体高分子の機能失活やナノ構造体の破壊が引き起こされてしまう。
【０００３】
また上記従来技術では緻密な構造の膜が形成されやすく、バイオセンサー・化学センサー・ガスセンサーなどのセンサー作成時の表面コーティングとして適用すると、内部のセンシング部分への被検物の侵入をブロックしてしまう恐れがある。
【０００４】
従って、基板上に固定された生体高分子およびナノ構造体をセンサーとして利用する際または他の電子デバイスへの応用の際、成膜時に基板に加わるエネルギーが低く、生体との親和性が高い環境下で作製可能であり、比較的小さな分子は透過させ、電気伝導特性が高い超薄膜による電極形成が必要とされる場合があるが、現状では適当な手段が存在しない。
【特許文献１】特開２００４−１０８８１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
解決しようとする問題点は、電気伝導特性が高い超薄膜による電極形成が必要とされる場合があるが、現状では適当な手段が存在しない点である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、成膜時に基板に与えるエネルギーが非常に小さなラングミュア・ブロジェット法を用いた導電性薄膜作製を行なうことで、ナノ構造体や生体分子への影響を排除する技術である。
【０００７】
ここで導電性LB膜は、巨視的な電気伝導特性を有すると同時に、ナノサイズの空孔を有する多孔質材料としての側面を持つ。従って、小さな分子は透過させるが大きな高分子は通さないといったフィルタ効果もある。これをセンサー作成の後処理プロセスとして適用した場合、被検物の侵入は影響を受けない一方、生体高分子およびナノ構造体の脱離が防止されるという利点が生ずる。
【０００８】
導電性LB膜はチアフルバレン誘導体（またはセレナフルバレン誘導体）と長鎖脂肪酸（または長鎖スルホン酸）から構成される（図１参照）。特にビス−エチレンジオキシ−テトラチアフルバレン（ＢＥＤＯ−ＴＴＦ）と脂肪酸、またはビス−エチレンジオキシ−テトラセレナフルバレン（ＢＥＤＯ−ＴＳeＦ）と脂肪酸、またはビス−エチレンジオキシ−ジセレナジチアフルバレン（ＢＥＤＯ−ＳＦＴ）と脂肪酸の組み合わせが良好な導電性薄膜を構成する。
【０００９】
チアフルバレン誘導体（またはセレナフルバレン誘導体）と長鎖脂肪酸（または長鎖スルホン酸）を分子数比1:1となるよう有機溶剤に溶かし、水面上に展開すると水面上で自発的に次の反応が引き起こされる。その結果、チアフルバレン誘導体（またはセレナフルバレン誘導体）分子１つあたり+1/2の電荷を帯びた部分電荷移動状態が形成され、金属的な電気伝導特性を持つ薄膜が水面上に形成される。
【００１０】
チアフルバレン誘導体（またはセレナフルバレン誘導体）と長鎖脂肪酸の場合
【化１】
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【００１１】
チアフルバレン誘導体（またはセレナフルバレン誘導体）と長鎖スルホン酸の場合
【化２】
2009192444.tif 000004
【００１２】
ここでR-COOHは長鎖脂肪酸、TTF-derivativeチアフルバレン誘導体またはセレナフルバレン誘導体、O2 は水中の酸素を示す。
【発明の効果】
【００１３】
このようにして形成された水面上の導電性超薄膜をラングミュア・ブロジェット法により基板上に累積する。すると基板に大きなエネルギーを与えることなく導電性薄膜で表面をコーティングすることが可能となる。
【００１４】
この導電性LB膜は紫外線露光により、急速に電気伝導特性を失う。従って、リソグラフィーによるパターン生成が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
ナノ構造体や生体分子への影響を排除するという目的を、成膜時に基板に与えるエネルギーが非常に小さなラングミュア・ブロジェット法を用いた導電性薄膜作製を行なうことで実現した。
【実施例】
【００１６】
[実験1] グルコースセンサーへの表面コーティングにより各種センサー特性が大きく向上した実施例
【００１７】
Ａ．事前準備
ガラス基板上に図２(a)のような電極パターンをAu/Cr蒸着によって作製した。
【００１８】
Ｂ．グルコースセンサー作製及び積層
水溶性プロシアンブルー(PB)を蒸留水に1x10-5 mol/L の濃度に溶かし、その水面上にオクタデシルトリメチルアンモニウムブロマイド(ODTA)の1x10-3 mol/L 溶液をマイクロシリンジで展開した。50分後に、20 mN/m の表面圧を生ずるまで可動バリアによって水面上の分子集団を圧縮した。Au/Cr電極基板を垂直に保ち、水面を横切るように上下させると、基板上にLB膜が累積した（図2(b)参照）。本実施例では6分子層のLB膜を累積した。なおこのとき、20 mN/m の表面圧を保つよう可動バリアをコントロールした。このLB膜内には10-20 nm サイズのPBクラスターが多数存在していることが、透過電子顕微鏡の観察から明らかになった（図3参照）。このLB膜を以下ではODTA/PB LB膜とする。
【００１９】
HCl、KHCO3、KOHの各水溶液を用いて、水素イオン濃度pH4に調整した水を1ml 用意し、この中に1mg のグルコース酸化酵素(GOx)を溶解した。このGOx溶液にODTA/PB LB膜を30分間浸漬した後、すぐに蒸留水中で2度すすぎ、大気中で２時間以上乾燥させた。赤外吸収スペクトル測定から、この試料中にGOxが吸着していることが明らかになった。このLB膜を以下ではODTA/PB/GOx グルコースセンサーとする。
【００２０】
ビス−エチレンジオキシ−テトラチアフルバレン(BO,図1参照)の1x10-3 mol/L クロロホルム溶液とステアリン酸(SA)の1x10-3 mol/L クロロホルム溶液を 分子数比1:1となるよう混合し、マイクロシリンジで蒸留水の水面上に展開した。10分後に、20 mN/m の表面圧を生ずるまで可動バリアによって水面上の分子集団を圧縮し、この圧力を保ちながら、基板を垂直に保って水面を横切るように上下させると、基板上にBO-SAから構成されるLB膜が累積した。本実施例では21分子層のLB膜を累積した。大気中で２時間以上乾燥させた後、電極以外の基板上に累積している薄膜をアセトンを湿らせた綿棒で除去した。このLB膜を以下ではODTA/PB/GOx/BO-SA グルコースセンサーとする（図2 (c)、図2(d)参照）。
【００２１】
Ｃ．グルコースセンサー特性の測定
上述のようにして形成したODTA/PB/GOx グルコースセンサー、 および導電性LB膜でコートしたODTA/PB/GOx/BO-SA グルコースセンサーを作用電極として、三電極系のアンペロメトリー法による電流応答測定を行った。ここで、参照電極にはＡｇ／ＡｇＣｌを、対電極にはＰｔを使用した。
【００２２】
純水中にＫＨ２ＰＯ４とＫＣｌを加え、ＫＨ２ＰＯ４が０．０５ｍｏｌ／Ｌ、ＫＣｌが０．１ｍｏｌ／Ｌの溶液を作製した。次に、この溶液にKOH溶液を少しずつ加え、ｐＨ＝７となるように調節した。そして、酸素を吹き込み、溶存酸素が飽和している状態にした。測定はこの溶液中で行った。
【００２３】
測定条件は、初期電位０V（vs. Ag/AgCl)、測定間隔１秒、測定時間３６００秒、感度１×１０−５Ａで測定を行った。なお測定中は、スターラを用いて９０ｒｐｍの速さで常に測定溶液の撹拌を行った。
【００２４】
測定開始後（電位印加後）２０００秒間待ち、測定溶液中の電流を安定させた。２０００秒経過後、測定溶液中のグルコース濃度が１ｍｍｏｌ／Ｌ増加するように調節した溶液を１００秒毎に滴下した。
【００２５】
Ｄ．測定の結果
導電性LB膜でコートしたODTA/PB/GOx/BO-SA グルコースセンサーおよびコートしていないODTA/PB/GOx グルコースセンサーの測定結果を図４に示す。同図に示されるように、いずれの試料もグルコースの増加と同時に、電流の絶対値が増大した。すなわち、グルコース濃度に対応した電流応答が得られた。これは図５に示す酸化還元サイクルが働いた結果である。ここでは、試料中のPBクラスターの一部がゼロ電位付近 (0 V vs. Ag/AgCl)において還元体であるプルシアンホワイト(PW) となり、酵素-基質反応によって生成する過酸化水素 (H2O2) に対し、これを2OH- へと変換する反応を引き起こし、測定系に電流を生じさせる。
【００２６】
図４に示されるように、導電性LB膜でコートした試料はコートしていない試料に比べ、大幅に応答電流値が増大している。また導電性LB膜コートしていない試料では高濃度領域でのノイズ成分が増大し、電流値に乱れを生じているが、導電性LB膜コートした試料ではノイズレベルは非常に小さく、濃度に関わらず安定したプロファイルを示す。
【００２７】
また図４の結果は、導電性LB膜コーティングが非検物であるグルコースの侵入を妨げてはいないことを示している。なぜなら、グルコースが内部のGOxと反応しない限り信号は生成されないが、図４での導電性LB膜コート試料の結果はこの信号生成が行なわれていることを示しているからである。
【００２８】
図４での結果をもとに、両試料におけるグルコース濃度に対する応答電流密度の変化をプロットしたものが図６である。なお図６には再現性を見るため、測定終了後の試料を純水中で洗浄し、すぐにもう一度同じ条件で測定した際に得られたデータを破線で示してある。
【００２９】
図６に示されるように、導電性LB膜コートした試料の応答電流密度はコートしていない試料に比べ、２倍以上増加している。またコートしていない試料では、濃度の増加と共に電流密度が一定値に近づく非直線的なプロファイルとなるが、コートした試料では高濃度領域でも直線性を保つ。従って、導電性LB膜コートした試料は計測可能な濃度領域が広がっている。
【００３０】
導電性LB膜コートによる応答電流密度の上昇は、次のメカニズムによると考えられる。図５の酸化還元サイクルの最終段階でPBクラスターは電極表面と電子の授受を行なう。しかしながら、全てのPBクラスターが電極表面と接しているわけではなく、電極表面にない多くのPBクラスターは電流信号の生成に関与しない。ここで、試料表面を導電性LB膜でコートを行なうと、より多くのPBクラスターが電流信号生成に参加するようになり、結果的に高い電流密度が得られる。
【００３１】
図６に示されている導電性LB膜コートしていない試料の２回目の測定データ（破線）では、１回目のデータ（実線）に比べ70% 程度の電流密度であり、大きく減少している。一方、導電性LB膜コートした試料では２回目のデータがわずかに大きくなっているが、１回目と2回目であまり大きな差はない。従って、導電性LB膜コートした試料では非常によい再現性が得られる。
【００３２】
上記の二つの試料における違いは、２回目試料でのGOxの脱離に関係していることが、次の赤外反射吸収スペクトル計測より分かる。
【００３３】
図７は二つの試料のセンサー特性計測前後の赤外反射吸収スペクトルである。導電性LB膜コートしていない試料のスペクトルでは、波数=3300cm-1付近のGOx由来の吸収ピーク強度がセンサー特性計測後で大きく減少している。これは、センサー特性計測によりGOxが脱離していることを示している。一方、導電性LB膜コートした試料のスペクトルでは、GOx由来の吸収ピーク強度がセンサー特性計測後でほとんど変化していない。従って、この試料ではGOxは脱離しない。
【００３４】
導電性LB膜コートした試料でGOxの脱離が起こらず、コートしない試料では一部が脱離するという赤外反射吸収スペクトルで確認された現象は、図６に示されるように、二つの試料におけるグルコースセンサー特性の再現性の違いとなって現れる。すなわち、導電性LB膜コートした試料ではグルコースセンサー特性計測でGOx固定化量が変化しないため、再現性のよいデータが得られる。一方、LB膜コートしていない試料では、計測の前後でGOxの脱離が起こり、２回目測定では出力電流密度が１回目の70%程度に低下する。なお、図４で見られるノイズレベルの違いも、LB膜コートによるGOxの固定化に関係した現象であろう。
【００３５】
本グルコースセンサーに対する導電性LB膜コーティングによる効果をまとめる。１）GOxおよびPBナノクラスターの機能劣化を引き起こさない、２）PBナノクラスターと電極との電気的な接触を増大させ、結果的にセンサー出力電流密度を２倍程度増大させる、３）ノイズを減少させる、４）電流密度-濃度の直線領域が高濃度側へおよそ１．５倍程度延ばす、５）小さな分子のグルコースは透過させるが、巨大たんぱく質であるGOxは保持する（フィルタリング効果）。
【００３６】
[実験２]  紫外線照射による導電性の消失を確認した実施例
【００３７】
Ａ．事前準備
10 mm x 10 mm 厚さ 0.3 mm のサファイア基板上に、0.5 mm 間隔で４本の電極（幅0.5 mm長さ10 mm）Au/Crパターンを真空蒸着法で作製した。
【００３８】
ビス−エチレンジオキシ−テトラチアフルバレン(BO,図1参照)の1x10-3 mol/L クロロホルム溶液とステアリン酸(SA)の1x10-3 mol/L クロロホルム溶液を分子数比1:1となるよう混合し、マイクロシリンジで蒸留水の水面上に展開した。10分後に、20 mN/m の表面圧を生ずるまで可動バリアによって水面上の分子集団を圧縮し、この圧力を保ちながら、基板を垂直に保持しつつ水面を横切るように上下させると、基板上にBO-SAから構成されるLB膜が累積した。本実施例では21分子層のLB膜を累積した。その後、大気中で２時間以上乾燥させた。  
【００３９】
Ｂ．測定方法
紫外線光源には５００Ｗの水銀ランプを使用し、フィルタを通さずにＬＢ膜に照射した。試料面での紫外光強度は14.3 mW/cm2であった。紫外線照射下における導電性LB膜の電気抵抗を４端子法により連続的に測定した。
【００４０】
Ｃ．測定結果
図８に紫外線照射下におけるLB膜抵抗値の経時変化を示す。図８に示されるように、このLB膜の抵抗値は、照射時間に対して指数関数的に増加する。すなわち、紫外線照射によりLB膜の電気伝導特性が急激に消失することを示している。
【００４１】
紫外線照射した試料の電荷輸送特性の変化を調べるため、紫外線照射していない試料とこれを60分間紫外線照射した試料における電気伝導度の温度依存性を測定した（図９）。紫外線照射していない試料では、温度の低下とともに電気伝導度が上昇する。これは、薄膜内で金属的な電子状態が形成されていることを示している。一方、60分間紫外線照射した試料では、温度の低下とともに電気伝導度が低下する。これは、半導体的な電子状態に変化したことを示している。すなわち、高い伝導特性を実現する金属的な電子状態が紫外線照射により破壊され、半導体となることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】(a)LB膜を構成するチアフルバレンおよびセレナフルバレン分子、(b) LB膜を構成する長鎖脂肪酸および長鎖スルホン酸分子 (アルキル鎖の炭素数 ≧12)。
【図２】(a) 基板上のAu/Cr蒸着電極の模式図、(b) 基板上のODTA/PB LB膜（およびODTA/PB/GOx)の模式図、(c) 基板上のODTA/PB/GOx/BO-SAの模式図、(d) 基板上のODTA/PB/GOx/BO-SAの中心線に沿った断面図。
【図３】ODTA/PB LB膜の透過電子顕微鏡写真。図中矢印部位がPBクラスター。
【図４】ODTA/PB/GOx/BO-SA(導電性LB膜コートあり）およびODTA/PB/GOx(導電性LB膜コートなし）の試料における、グルコース濃度と応答電流との関係を示すグラフである。
【図５】グルコースセンサーにおける酸化還元サイクル。
【図６】ODTA/PB/GOx/BO-SA(導電性LB膜コートあり）およびODTA/PB/GOx(導電性LB膜コートなし）の試料における、応答電流値の大きさとグルコース濃度の関係、および試料の再現性を示すグラフである。
【図７】(a)ODTA/PB/GOx(導電性LB膜コートなし）および(b) ODTA/PB/GOx/BO-SA(導電性LB膜コートあり）の試料における、赤外反射吸収スペクトル測定の結果。
【図８】BO-SA導電性LB膜における電気抵抗の紫外線照射時間依存性。
【図９】紫外線照射（６０分間）前後におけるBO-SA導電性LB膜の電気伝導度の温度依存性の変化。
【図１０】グルコースオキシターゼとプルシアンブルーナノクラスターから構成される超薄膜グルコースセンサーへ導電性LB膜コーティングを適用した例。GOx：グルコースオキシダーゼ  PB：プルシアンブルー
【図１】
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【図２】
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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３】
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