JP2017194295A

JP2017194295A - バイオセンサ

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Publication number: JP2017194295A
Application number: JP2016083138A
Authority: JP
Inventors: 直樹野畑; Naoki Nohata; 豪南; Takeshi Minami; 創南木; Tsukuru Minamiki; 時任　静士; Shizuo Tokito; 静士時任
Original assignee: Yamagata University NUC; Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Yamagata University NUC; Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2036-04-18
Also published as: JP6661080B2

Abstract

【課題】安定した検出精度を確保することができるバイオセンサを提供する。【解決手段】バイオセンサ１は、検出対象２と生体反応する検出部３と、検出部３の検出量を電気信号Ｓｖに変換可能な変換部４とを備える。変換部４の半導体は、有機半導体９からなり、有機半導体９の表面にイオン性液体１４が設けられることにより、有機半導体９及びイオン性液体１４により電気二重層のデバイス構造をなしている。イオン性液体１４の表面には、検出部３として、イオン性液体１４を保護する保護膜２４が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、生体を起源とする物質の変化量を検出するバイオセンサに関する。

従来、検出対象との生体反応に基づく変化量を検出する化学センサの一種としてバイオセンサが周知である（特許文献１等参照）。この種のバイオセンサは、検出対象と反応する検出部と、検出部における変化量を電気信号に変換して出力する変換部とを備える。バイオセンサは、検出部に酵素が含まれ、検出対象と接した際の酵素の反応を基に、検出対象の生体反応の度合いに応じた電気信号を出力する。

特開２０１５−１９０８４８号公報

この種のバイオセンサにおいては、安定した検出精度を確保したいニーズがあった。
本発明の目的は、安定した検出精度を確保することができるバイオセンサを提供することにある。

前記問題点を解決するバイオセンサは、検出対象物質を検出部で検出して、当該検出部の検出量を変換部の有機半導体によって電気信号に変換して出力する構成において、前記変換部に設けられ、前記有機半導体と電気二重層を構築する電解質性キャパシタと、前記検出部として設けられ、前記電解質性キャパシタを保護する保護膜とを備えた。

本構成によれば、有機半導体と電解質性キャパシタとによって電気二重層が構築されるので、バイオセンサの半導体として有機半導体を用いた場合でも、半導体としての性能を確保することが可能となる。また、電解質性キャパシタを保護膜によって保護するので、電解質性キャパシタが外部に溶出することもない。以上により、バイオセンサにおいて、安定した検出精度を確保することが可能となる。

前記バイオセンサにおいて、前記電解質性キャパシタは、イオン性液体であることが好ましい。この構成によれば、液状のイオン性液体を保護膜によってしっかりと封止することが可能となる。

前記バイオセンサにおいて、前記保護膜、電解質性キャパシタ及び有機半導体の少なくとも１つには、前記検出対象物質と反応する酵素が設けられていることが好ましい。この構成によれば、酵素と検出対象物質との間の酵素反応に基づいて検出部の検出量を求めることが可能となるので、検出対象物質との反応を感度よく検出することが可能となり、検出精度を確保するのに一層有利となる。

前記バイオセンサにおいて、前記変換部は、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を備え、これら電極は、前記電解質性キャパシタの裏面側に配置されていることが好ましい。この構成によれば、これら電極の上面のスペース一帯を、電解質性キャパシタの配置スペースとすることが可能となるので、検出面積を広くとることが可能となる。

前記バイオセンサにおいて、前記ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極は、当該変換部の基材の平面方向に沿って並び配置されていることが好ましい。この構成によれば、電極群が同一平面上に配置されるので、電極の製造が容易になる。

前記バイオセンサにおいて、前記電解質性キャパシタは、前記有機半導体及び酵素と電子授受するメディエータを含むことが好ましい。この構成によれば、酵素とメディエータとの反応により有機半導体又は電解質性キャパシタにおける電荷状態を変化させるので、電極出力の十分な変化量を確保するのに有利となる。

本発明によれば、安定した検出精度を確保することができる。

一実施形態のバイオセンサの構成図。検出対象に含まれる検出対象物質を具体的に示す説明図。検出対象物質と酵素とが反応する様子を示す説明図。メディエータが電子授受する具体例を示す説明図。

以下、バイオセンサの一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図１に示すように、バイオセンサ１は、検出対象２と生体反応する検出部３と、検出部３の検出量を電気信号Ｓｖに変換可能な変換部４とを備える。本例のバイオセンサ１は、検出対象２を含む液体に接した状態で使用される。また、本例のバイオセンサ１は、検出対象２（生体）に直接貼り付ける用途でも、検出対象２が接するデバイス表面に取り付ける用途でも使用可能である。検出対象２は、例えば人体の指や体の一部であることが好ましい。

変換部４は、バイオセンサ１の板状の基材８上に設けられている。変換部４は、有機半導体９、ソース電極１０、ドレイン電極１１、ゲート電極１２及び電解質性キャパシタ１３（本例は液状のイオン性液体１４）を備える。本例のバイオセンサ１は、変換部４の半導体に有機半導体９を用いるので、例えば無機半導体に比べ、フレキシブル性に優れる。これにより、バイオセンサ１を湾曲させて皮膚等に貼り付けることが容易となり、利便性が確保される。

バイオセンサ１は、変換部４のデバイス間の必要箇所に絶縁層１６〜２０を備える。絶縁層１６〜２０は、例えばポリイミド等から形成されることが好ましい。絶縁層１６は、ドレイン電極１１及びゲート電極１２の間の絶縁を確保する。絶縁層１７，１８は、バイオセンサ１の平面方向（図１のＸ軸方向）の一端（紙面左端）において、各デバイス間の絶縁を確保する。絶縁層１９，２０は、バイオセンサ１の平面方向（図１のＸ軸方向）の他端（紙面右端）において、各デバイス間の絶縁を確保する。

基材８は、薄板形状に形成されるとともに、強度が確保された樹脂材料から形成されている。基材８は、例えばガラス等が使用される。薄板形状の基材８は、外部からの負荷により、自在に湾曲することが可能である。また、基材８は、例えばガスや水分のバリア性能を有することが好ましい。

ソース電極１０、ドレイン電極１１、ゲート電極１２及びイオン性液体１４は、これらが組み合わさることにより、電界効果トランジスタを形成する。ソース電極１０、ドレイン電極１１及びゲート電極１２（絶縁層１６を含んでもよい）は、イオン性液体１４の裏面側に配置されている。また、ソース電極１０、ドレイン電極１１及びゲート電極１２（絶縁層１６を含んでもよい）は、同一平面上（図１のＸ軸方向の平面上）に並ぶように配置されている。有機半導体９及び絶縁層１６は、基材８上に配置されるとともに、互いに並ぶように配置されている。

イオン性液体１４は、有機半導体９の性能を確保するために設けられ、有機半導体９と電気二重層のデバイス構造をなすことにより、半導体性能を確保する。イオン性液体１４は、酵素との反応により電子授受を行うメディエータ２３が内包されている。メディエータ２３は、イオン性液体１４と混在されている。半導体として有機半導体９を用いた場合、有機半導体９単体では性能が低いため、イオン性液体１４により電気二重層を形成することにより、半導体としての性能が確保される。イオン性液体１４は、有機半導体９、ゲート電極１２及び絶縁層１６の上面に配置され、両側に絶縁層１８〜２０が配置されている。すなわち、検出部３、有機半導体９、ゲート電極１２及び絶縁層１６，１８〜２０により区画される領域に、イオン性液体１４が配置されている。

検出部３は、イオン性液体１４を保護する保護膜２４からなる。保護膜２４は、イオン性液体１４の表面（上面）に形成されるとともに、イオン性液体１４の表面全域に設けられることが好ましい。イオン性液体１４は、生体に対する適合性を有する特殊膜からなり、使用時において生体等に接する。保護膜２４は、例えばポリグルタルアルデヒドから形成されることが好ましい。保護膜２４は、イオン性液体１４の外部環境への溶出（流出）を防止する溶出防止機能を有する。保護膜２４は、酵素を内包した材料であることが好ましい。

次に、図２〜図４を用いて、バイオセンサ１の作用及び効果を説明する。
図２に示すように、検出対象２を含む液体に含まれる検出対象物質２６（例えばエタノール等）は、バイオセンサ１の保護膜２４の表面で接する。なお、バイオセンサ１の検出対象物質２６は、例えば生体から発生するガスや液体などの他に、生体から摘出した液体中に含まれる物質であることが好ましい。

図３に示すように、検出対象物質２６は、保護膜２４を通過して、保護膜２４の中の酵素、イオン性液体１４の中の酵素、有機半導体９の表面の酵素などに吸着する。なお、ここでは、酵素は、前述の通り保護膜２４に内包（固定）、イオン性液体１４の中に溶解、有機半導体９の表面に固定の少なくともいずれか１つの構成態様をとることが好ましいこととする。

図４に示すように、酵素（図中に「Enzyme」と記載）は、メディエータ２３と電子授受して、吸着した検出対象物質２６（例えばエタノール）を分解する。具体的には、まず、酵素「Enzyme^Ox」は、検出対象物質２６と反応して電子を奪い、結合酵素「Enzyme^Red」となり、アセトアルデヒドを発生する。結合酵素「Enzyme^Red」は、メディエータ「Mediator^Ox」と反応して電子を奪われ、酵素「Enzyme^Ox」に戻り、電子授受したメディエータ「Mediator^Red」を発生する。そして、電子授受したメディエータ２３は、有機半導体９の表面又はゲート電極１２と反応して電子を奪われ、電子授受する前の「Mediator^Ox」に変化する。

以上の酵素反応により、有機半導体９の表面又はゲート電極１２の電荷状態が変化する。そして、この電荷状態の変化により、ソース−ドレイン間に流れる電流が変化するので、この変化が電気信号Ｓｖとして変換部４から出力される。この電気信号Ｓｖの変化量（電流変化量）は酵素反応量と相関があるので、電気信号Ｓｖの変化量を基に検出対象２の量を検量することが可能となる。

さて、本例の場合、有機半導体９とイオン性液体１４とによって電気二重層が構築されるので、バイオセンサ１の半導体として有機半導体９を用いた場合でも、半導体としての性能を確保することができる。すなわち、変換部４の検出電流を大きくとることが可能となり、検出感度を確保することができる。また、イオン性液体１４を保護膜２４によって保護するので、イオン性液体１４が外部に溶出することもない。以上により、バイオセンサ１において、安定した検出精度を確保することができるようになる。

本例のバイオセンサ１の電解質性キャパシタ１３は、イオン性液体１４である。よって、液状のイオン性液体１４を保護膜２４によってしっかりと封止することができる。
保護膜２４、イオン性液体１４及び有機半導体９の少なくとも１つには、検出対象物質２６と結合する酵素が設けられている。よって、酵素と検出対象物質２６との酵素反応に基づいて検出部３の検出量を求めることが可能となるので、検出対象物質２６との反応を感度よく検出することが可能となり、検出精度をよくするのに一層有利となる。

本例のバイオセンサ１においては、変換部４の電極（ソース電極１０、ドレイン電極１１、ゲート電極１２）が、イオン性液体１４の裏面側に配置されている。よって、これら電極の上面のスペース一帯を、イオン性液体１４の配置スペースとすることが可能となるので、検出面積を広くとることができる。また、イオン性液体１４の表面側（接触面側）に電極が存在しないので、変換部４のデバイス（電極）の安定性や機械的強度を確保することができる。さらに、半導体の電極を電気二重層上に作製する必要もないので、作製難易度を低く抑えることができ、かつ性能のばらつきを低く抑えることもできる。

ソース電極１０、ドレイン電極１１及びゲート電極１２は、変換部４の基材８の平面方向（図１のＸ軸方向）に沿って並び配置されている。よって、変換部４を構築する電極群が同一平面上に配置されるので、電極の製造が容易になる。

電解質性キャパシタ１３（イオン性液体１４）は、有機半導体９及び酵素と電子授受するメディエータ２３を含む。よって、酵素とメディエータ２３との反応により有機半導体９の電荷状態を変化させるので、電極出力の十分な変化量を確保するのに有利となる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・メディエータ２３は、イオン性液体１４に混在されてもよいし、有機半導体９上に設けられてもよい。

・有機半導体９上に酵素及びメディエータ２３を固定化するとよい。こうすれば、酵素反応に伴う電子移動が半導体特性に直接影響する。よって、高感度なバイオセンサ１とするのに一層有利となる。

・絶縁層１７，１８は、一体の部材であってもよい。同様に、絶縁層１９，２０も一体の部材としてもよい。
・ソース電極１０、ドレイン電極１１及びゲート電極１２は、同一平面上に配置されることに限らず、平面方向と直交する方向において、ずれて配置されてもよい。

・検出対象物質２６は、エタノールに限らず、他の物質であってもよい。
・保護膜２４の材質は、生体適合性を有する特殊膜であれば、種々の材料を用いることができる。

・変換部４の構成は、電気二重層が構築されていれば、他の構成に適宜変更することが可能である。
・電解質性キャパシタ１３は、液状のイオン性液体１４に限定されず、有機半導体９と電気二重層を形成できる材質のものであればよい。

・変換部４内の酵素は、どの部材に設けられてもよい。
・基材８は、樹脂材料から形成されることに限らず、他の材料に変更してもよい。また、基材８は、湾曲することが条件ではなく、曲がらない部材であってもよい。

・メディエータ２３に代えて、他の部材で半導体との電子授受を行うようにしてもよい。

１…バイオセンサ、２…検出対象、３…検出部、４…変換部、８…基材、９…有機半導体、１０…ソース電極、１１…ドレイン電極、１２…ゲート電極、１３…電解質性キャパシタ、１４…電解質性キャパシタの一例であるイオン性液体、２３…メディエータ、２４…保護膜、２６…検出対象物質、Ｓｖ…電気信号。

Claims

検出対象物質を検出部で検出して、当該検出部の検出量を変換部の有機半導体によって電気信号に変換して出力するバイオセンサにおいて、
前記変換部に設けられ、前記有機半導体と電気二重層を構築する電解質性キャパシタと、
前記検出部として設けられ、前記電解質性キャパシタを保護する保護膜と
を備えたことを特徴とするバイオセンサ。
前記電解質性キャパシタは、イオン性液体である
請求項１に記載のバイオセンサ。
前記保護膜、電解質性キャパシタ及び有機半導体の少なくとも１つには、前記検出対象物質と結合する酵素が設けられている
請求項１又は２に記載のバイオセンサ。
前記変換部は、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を備え、
これら電極は、前記電解質性キャパシタの裏面側に配置されている
請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のバイオセンサ。
前記ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極は、当該変換部の基材の平面方向に沿って並び配置されている
請求項４に記載のバイオセンサ。
前記電解質性キャパシタは、前記有機半導体及び酵素と電子授受するメディエータを含む
請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のバイオセンサ。