JPH02108954A - 半導体酵素センサの固定化酵素膜形成法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、同時に複数の化学成分を計測できる半導体
酵素センサの固定化酵素膜形成法に関するものである。

［従来の技術］ 第４Ａ図〜第４Ｆ図は、例えば特開昭６０−３９５４７
号公報に示された従来の固定化酵素膜形成法による半導
体酵素センサの製造工程を示す側面断面図であり、これ
らの図において、（１）は基板、（２）はこの基板（１
）の上部に形成された３つの素子分離領域、（３）及び
（４）は各々の素子分離領域（２）内に配置されたそれ
ぞれソース電極及びドレインｘｆＩ！、（５）は基板（
１）上に形成された絶縁膜、（６）はこの絶縁膜（５）
上に形成された水素イオン感応膜、（７）は１つの素子
分離領域（２）上の水素イオン感応膜（６）上に形成さ
れた固定化ウレアーゼ膜、（８）は他の水素分離領域（
２）上の水素イオン感応膜（６）上に形成された固定化
グルコースオキシダーゼ膜である。

次に、上記の固定化酵素膜形成法による固定化酵素膜の
製作法について説明する。

まず、３つの素子分離領域（２）を持ち、それぞれの素
子分離領域（２）にソース電極（３）及びドレイン電極
（４）が形成され、基板（１）上に絶縁膜（５）、水素
イオン感応膜（６）をそれぞれ形成した集積型水素イオ
ン感応性電界効果型トランジスタを用意する。このトラ
ンジスタ上の水素イオン感応ｗＡ（６）上にウレアーゼ
を含んだ水溶性感光樹脂を回転塗布し、膜厚の均一なウ
レアーゼ薄膜（９）を形成する（第４Ａ図）１次に、固
定化ウレアーゼ膜（７）を形成したい部分にのみ露光（
図中、矢印で示す、以下同様）されるようなフォトマス
ク（図示しない、以下同様）を用いて光を照射し、水溶
性感光樹脂を光架橋することにより水に不溶化する（第
４Ｂ図）。次いで、水で現像することにより、未露光部
分を除去し、固定化ウレアーゼ膜（７）を得る（第４Ｃ
図）。

次に、このトランジスタ上にグルコースオキシダーゼを
含んだ水溶性感光樹脂を回転塗布し、膜厚の均一なグル
コースオキシダーゼ薄膜（１０）を形成する（第４Ｄ図
）、そして、固定化グルコースオキシダーゼ膜（８）を
形成したい部分にのみ露光されるようなフォトマスクを
用いて光を照射し、水溶性感光樹脂を光架橋することに
より水に不溶化する（第４Ｅ図）１次いで、水で現像す
ることにより固定化グルコースオキシダーゼ膜（８）を
形成しく第４Ｆ図）、半導体酵素センナを得る。なお、
固定化ウレアーゼ膜（７）と固定化グルコースオキシダ
ーゼ膜（８）を形成する順序は逆でもよい。

［発明が解決しようとする課ｉｌｌ］ 上記のような固定化酵素膜形成法では、ある固定化酵素
膜上に異種の酵素が入った水溶性感光樹脂溶液が直接接
触する機会があり、この異種の酵素により特定の固定化
酵素膜が汚染される場合がある。また、他の成分と同時
に計測を行う際に、この汚染を起こす異種の酵素による
反応が、目的とする応答を妨害することがあるという問
題点があった。さらに、参照用として用いているイオン
感応性電界効果型トランジスタの表面を酵素で汚染する
という問題点があった。

第５図はこのような状態を具体的に示す半導体酵素セン
サの応答曲線である。１定は１０ｍＭのＰＩＰＥＳ　（
ピペラジン−Ｎ、Ｎ′−ビス（２−エタンスルホン酸）
−ＮａＯＨＮＦｆｉ液（ｐＨ７，０）を用いて、グルコ
ース濃度は３ｍＭ、尿素濃度は５ｍＭで２５℃で行った
６図中、（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）はそれぞれ尿
素５ｍＭ、グルコース３ｍＭ、尿素５ｍＭ及びグルコー
ス５ｍＭの混合溶液を使用した場合の温室結果を示す、
なお、第５図の場合、グルコース応答は正の電圧を出力
し、尿素応答は負の電圧を出力する０図から明らかなよ
うに、尿素に対する半導体酵素センサの応答では、本来
は生じないはずのグルコース応答が生じている（第５図
（ａ））、また、尿素及びグルコースの混合溶液では、
尿素の影響によりグルコース単独の応答（第５図（ｂ）
）に比べてグルコースの応答が小さくなっており（第５
図（Ｃ））、正確なグルコース濃度が測定できていない
ことがわかる。

この発明は、このような問題点を解決するためになされ
たもので、固定化酵素膜の他の酵素による汚染及び参照
用トランジスタ表面の酵素による汚染をなくし、多成分
の試料を同時にかつ正確に計測できる半導体酵素センサ
の固定化酵素膜形成法を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る固定化酵素膜形成法は、異なる種類の固
定化酵素膜を水溶性感光樹脂を用いて写真製版技術によ
り形成する際に、他の酵素と直接接触することがないよ
うに、あるいは参照用トランジスタ表面に酵素が付着し
ないようにするために、−旦使用酵素の応答反応に影響
を与えない他の酵素やタンパク質を含む水溶性感光樹脂
あるいは何も含まない水溶性感光樹脂を塗布し、その上
に、固定化する酵素を含む水溶性感光樹脂を塗布して露
光、現像するようにしたものである。

［作　用］ この発明においては、既に形成されたある種の固定化酵
素膜と、次にこの上に形成する固定化酵素膜形成用の水
溶性感光樹脂溶液との間、並びに参照用トランジスタの
水素イオン感応膜と固定化酵素膜形成用の水溶性感光樹
脂溶液との間に、スペーサの役割を果す水溶性感光樹脂
溶液の薄膜を介することにより、既に形成された固定化
酵素膜や、参照用トランジスタの水素イオン感応膜表面
での酵素による汚染を防止する。

［実施例］ 第１Ａ図ないし第１Ｇ図はこの発明の一実施例による半
導体酵素センサの製造工程を示す側面断面図であり、こ
れらの図において、（１）は基板、（２）はこの基板〈
１）の上部に形成された３つの素子分離領域、（３）は
この素子分離領域（２）中に形成されたソース電極、（
４）は同じく素子分離領域（２）中に形成されたドレイ
ン電極、（５）は基板（１）上に形成された絶縁膜、（
６）はこの絶縁膜（５）上に形成された水素イオン感応
膜、（７）は１つの素子分離領域（２）上の水素イオン
感応膜（６）上に形成された固定化ウレアーゼ膜、（８
）は１つの素子分離領域（２）上の水素イオン感応１１
Ｋ（６）上に形成された固定化グルコースオキシダーゼ
膜、（１１）は参照用トランジスタ（１２）上の水素イ
オン感応膜（６）上に形成された固定化牛血清アルブミ
ン膜である。なお、水溶性感光樹脂としては、分子量３
６万のポリビニルピロリドン水溶液（１０重量％）に、
２．５−ビス（４′−アジド−２′−スルホベンザル）
シクロペンタノンナトリウム塩（１重量％）（東京応化
工業株式会社製）を用いた。

実施例　１ ３つの水素イオン感応性トランジスタ素子を集積化した
基板（１）の水素イオン感応膜（６）上に、牛血清アル
ブミンという蛋白を含んだ水溶性感光樹脂を回転塗布し
、厚さの均一な牛血清アルブミン薄膜（１３）を形成し
た（第１Ａ図）、３つの水素イオン感応性トランジスタ
のうち真中のものを参照用トランジスタ（１２）として
使用し、この上の部分だけに固定化牛血清アルブミン膜
（１１）を残すようにフォトマスク（図示しない、以下
同様）を使って露光（図中、矢印で示す、以下同様）し
た（第１Ｂ図）０次に、この上に、グルコースオキシダ
ーゼを含んだ水溶性感光樹脂を回転塗布し、厚さの均一
なグルコースオキシダーゼ薄ＩＩＩ　（１０）を形成し
な。

この時、同時に先に塗布した牛血清アルブミン薄膜（１
３）の未露光部分の一部の現像が行われる（第１Ｃ図）
、さらに、固定化グルコースオキシダーゼ膜（８）を形
成したいトランジスタの水素イオン感応膜（６）上のみ
フォトマスクを使って露光し、水で現像した（第１Ｄ図
）、基板（１）を乾燥後、再び牛血清アルブミンを含ん
だ水溶性感光樹脂を塗布し、厚さの均一な牛血清アルブ
ミン薄膜（１３）を形成した（第１Ｅ図）。次に、ウレ
アーゼを含んだ水溶性感光樹脂を回転塗布し、厚さの均
一なウレアーゼ薄膜〈９）を形成した。この時、先に塗
布した牛血清アルブミン薄膜（１３）は大部分溶解する
が全部は除去されず、その上に塗布されたウレアーゼ薄
膜く９）と下地との間に薄い被膜として牛血清アルブミ
ン薄膜（１３）が形成されている（第１Ｆ図）。

そして、固定化ウレアーゼ膜（７）を形成したい部分に
のみ露光できるフォトマスクを用い、ウレアーゼ薄膜（
９）を光架橋して固定化ウレアーゼ膜（７）を形成した
０次いで、水で現像することにより光架橋しなかったウ
レアーゼ薄１１Ｋ（９）を除去して、半導体酵素センサ
を得たく第１Ｇ図）６実施例　２ グルコースオキシダーゼは参照用トランジスタを汚染し
にくいことから、実施例１を次のように簡略化すること
ができる。この実施例２による半導体酵素センサの製造
工程を示す側面断面図を、第２八図ないし第２Ｅ図に示
す。

３つの水素イオン感応性トランジスタ素子を集積化した
基板（１）の水素イオン感応膜（６）上にグルコースオ
キシダーゼを含んだ水溶性感光樹脂を回転塗布し、厚さ
の均一なグルコースオキシダーゼ４１１！ｌ　（１０＞
を形成した（第２Ａ図）、固定化グルコースオキシダー
ゼ膜（８）を形成したい部分にだけ光があたるフォトマ
スクを用いて露光した後、水で現像した（第２Ｂ図）０
次に、牛血清アルブミンを含んだ水溶性感光樹脂を回転
塗布し、厚さの均一な牛血清アルブミン薄膜（１３）を
形成した。そして、参照用トランジスタ（１２）の水素
イオン感応膜（６）上だけに光が当たるフォトマスクを
使用して露光した（、第２Ｃ図）６次いで、ウレアーゼ
を含んだ水溶性感光樹脂溶液を回転塗布し、厚さの均一
なウレアーゼ薄膜く９）を形成した。この時、先に塗布
した牛血清アルブミン薄膜（１３）は、露光部分を除い
てほとんど溶解するが全部は除去されず、その上に塗布
されたウレアーゼ薄膜（９）と下地との間に薄い被膜と
して残存している（第２Ｄ図）。

最後に、固定化ウレアーゼ膜（７）を形成したい部分に
だけフォトマスクを使って露光し、水で現像することに
より、半導体酵素センサを得た（第２Ｅ図）。

このようにして形成した半導体酵素センサのグルコース
に対する応答と、尿素に対する応答を第３図に示す、測
定は１０ｍＭのＰＩＰＥＳ　−ＮａＯＨ緩衝液（ｐ）１
７．０）を用いて行ない、尿素濃度は５ｍＭ（図中、曲
線（ａ））、グルコース濃度は３ｍＭ　（図中、曲線（
ｂ））、混合溶液はグルコース３ｍＭ及び尿素５　ｍ　
Ｍの各濃度のものく図中、曲線（Ｃ））を用いた。なお
、第３図の場合、グルコース応答は正の電圧を出力し、
尿素応答は負の電圧を出力する。

図から明らかなように、各成分単独と混合した場合に応
答の違いはなく、各成分を同時にかつ正確に計測できる
ことがわかる。

なお１．Ｅ記実施例では、水溶性感光樹脂としてポリビ
ニルピロリドンと２．５−ビス（４′−アジド−２′ス
ルホベンザル）シクロペンタノンナトリウム塩からなる
ものを使用したが、酵素を失活することなく光架橋によ
り水に不溶化するような水溶性感光樹脂であれば他のも
のも使用でき、上記と同様の効果を奏する。

また、上記実施例１では、最初に参照用トランジスタの
イオン感応膜上に固定化牛血清アルブミン膜を形成した
が、これは、固定化グルコースオキシダーゼ膜形成後で
も、あるいは固定化ウレアーゼ膜形成後に形成しても同
様の効果を奏する。

また、Ｅ記実施例では、牛血清アルブミンを含んだ水溶
性感光樹脂を用いたが、この他に、固定化する酵素であ
る例えばウレアーゼやグルコースオキシダーゼの反応に
影響を与えない酵素又はタンパク質を含んだ水溶性感光
樹脂、あるいはこのような酵素又はタンパク質を含まな
い水溶性感光樹脂を用いても同様の効果を奏する。

［発明の効果コ この発明は以上説明したとおり、固定化する酵素の応答
反応に影響を与えない酵素又はタンパク質を含む水溶性
感光樹脂を基板の水素イオン感応膜上に塗布した後、こ
の水溶性感光樹脂上に、固定化する酵素を含む水溶性感
光樹脂を塗布し、次いで、この水溶性感光樹脂を露光、
現像するので、酵素による汚染がなく、精度の高い測定
が可能な多成分同時測定用の半導体酵素センサを得られ
る効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図〜第１Ｇ図はこの発明の一実施例による半導体
酵素センサの製造工程を示す側面断面図、第２Ａ図〜第
２Ｅ図はこの発明の他の実施例による半導体酵素センサ
の製造工程を示す側面断面図、第３図はこの発明の一実
施例により形成した半導体酵素センサの応答曲線を示す
線図、第４Ａ図〜第４Ｆ図は従来の形成法による半導体
酵素センナの製造工程を示す側面断面図、第５図は従来
の形成法による半導体酵素センサの応答曲線を示す線図
である。 なお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 第１Ａ図 第１Ｃ図 第１Ｄ図 年１０図 水素イオン感応・哄 固定イ七ウレアーゼＮ（ 固定化グルコースオキシ作ゼ゛應 ウレＬゼ薄腺 ）゛ブレコース１式シフーゼ薄腰 問定化牛立漬アルブミン嗅 辱ｐ表用トランジスフ 牛ｍ清フルブミン傅哄 第２Ｃ図 第４Ａ図 手続補正書 平成　２年　１月１１日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 水素イオン感応性電界効果型トランジスタを複数個積層
   した集積型水素イオン感応性電界効果型トランジスタの
   水素イオン感応膜上に、異なる種類の固定化酵素膜を水
   溶性感光樹脂を用いて形成する方法であって、固定化す
   る酵素の応答反応に影響を与えない酵素又はタンパク質
   を含む水溶性感光樹脂を上記水素イオン感応膜上に塗布
   した後、この水溶性感光樹脂上に、固定化する酵素を含
   む水溶性感光樹脂を塗布し、次いで、この水溶性感光樹
   脂を露光、現像することを特徴とする半導体酵素センサ
   の固定化酵素膜形成法。