JPH04332857A - 酵素センサ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は医療計測、発酵計測、環
境計測等の分野において、糖類、尿素、脂質等の化学物
質を選択的に検出する酵素センサ、詳しくはサーモパイ
ルを用いた酵素センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこのような酵素センサとしては、
例えば酵素上での基質と酵素との反応のエンタルピー変
化（温度変化）を、サーミスタを用いて検出するものが
ある。

【０００３】このサーミスタを用いた温度変化検知方式
としては、例えば以下のような３タイプが知られている
。すなわち、固定化生体触媒（酵素）を収容した反応カ
ラムの下流にサーミスタを配置したシングル型、反応カ
ラムの上流および下流にそれぞれサーミスタを配設した
ディファレンシャル型、活性リアクタ（カラム）と参照
リアクタ（カラム）とを並列に配設し、それらのリアク
タの下流にサーミスタをそれぞれ配設したスプリットフ
ロー型が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の酵素センサは、以下の課題を有していた。

【０００５】すなわち、シングル型の温度検知方式では
、酵素を収容するカラムと温度変化を検知するサーミス
タとが別体で構成、配置されていたため、基質との酵素
反応以外にも該サーミスタの周囲の温度変化によっても
その抵抗値が変化する。このため、測定精度が低くなる
という欠点があった。

【０００６】一方、ディファレンシャル型の温度検知方
式では、反応カラムの上流および下流に取り付けた２つ
のサーミスタにより、それぞれ温度を変化を検出して、
その検出値によって周囲の温度についての補償を行うも
のである。

【０００７】しかしながら、このタイプのサーミスタに
あっては、カラム中での基質の吸着に伴う温度変化（酵
素反応による温度変化以外の温度変化）を補正すること
ができないという課題があった。

【０００８】さらに、スプリットフロー型のタイプでは
、熱失活させた固定化酵素を充填した参照用カラムを反
応用カラムと並列に配設し、吸着による温度変化を補正
するようにしているが、装置全体として構成が複雑にな
り、系全体の温度の均一性を保つことが困難になってい
る。

【０００９】

【課題解決のための知見】そこで、本願の発明者は、酵
素と基質との反応による温度差を直接測定し、周囲温度
に対する補償を不必要とし、しかも、サーモパイル構造
とすることにより素子を小型化することができる、との
知見を得た。

【００１０】また、素子表面の全面に酵素を固定化し、
そのサーモパイル（熱電対パターン）の一端部の上の酵
素のみを熱失活させることによって、吸着に伴う温度変
化もキャンセルすることができる、との知見を得た。

【００１１】

【発明の目的】そこで、本発明は、測定精度を高めるこ
とができ、かつ、小型化可能な酵素センサを提供するこ
とを、その目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る酵素センサ
は、絶縁性基板と、この絶縁性基板の表面に配設された
熱電対パターンと、この熱電対パターンの一端部の表面
に被着された酵素担体と、を備えている。

【００１３】また、上記熱電対パターンは、その一端側
から他端側に向かって延在するＮ型半導体からなる第１
の熱電変換物質と、該第１の熱電変換物質に一端側で接
続され、他端側に向かって延在するＰ型半導体からなる
第２の熱電変換物質と、で構成されている。

【００１４】また、上記熱電対パターンは一平面に配設
された構造を有している。

【００１５】また、上記熱電対パターンは絶縁膜を介し
て複数層に積層された構造である。

【００１６】さらに、上記第１および第２の熱電変換物
質は、ＦｅＳｉ２系化合物である。

【００１７】

【作用】本発明によれば、基質が酵素と反応しての温度
上昇と周囲温度との間の温度差を熱電対パターンにより
直接検出することができるため、その周囲温度に対する
補償回路が不必要である。

【００１８】また、本発明は、リソグラフィ法を用いる
ことによって、わずかな面積に多数の熱電対を形成する
ことができるため、高感度化を容易に実現することがで
きる。

【００１９】また、本発明においては、これらの熱電対
パターンを積層化することにより、より高感度の酵素セ
ンサを得ることができる。

【００２０】また、本発明では、熱電対の材質として、
ＦｅＳｉ２系化合物を用いると、これは耐酸化性が高く
、高温でも安定なため、発熱反応に最適な温度で酵素セ
ンサとして動作させることが容易にできる。

【００２１】また、このＦｅＳｉ２系化合物はゼーベッ
ク係数が高いので、より高感度なセンサを構成すること
ができる。

【００２２】

【実施例】本発明に係る酵素センサを実施例に基づいて
以下説明する。

【００２３】図１および図２は本発明の一実施例を説明
するためのものである。

【００２４】これらの図において、ガラス、エポキシ樹
脂等の絶縁性基板１１上には、薄膜の熱電対パターン１
２が例えば蒸着、スパッタリングで薄膜を被着しリソグ
ラフィプロセスでパターニングすることにより、被着、
形成されている。

【００２５】この熱電対パターン１２は、第１の線材１
３と第２の線材１４とを交互に直列に接続したもので、
全体として櫛歯状に配設されている。

【００２６】この熱電対パターン１２は、銅−コンスタ
ンタン、アルメル−クロメルなどの一般的な熱電対材料
で形成してもよいが、ＦｅＳｉ２系化合物で形成するこ
とが望ましい。例えば第１の線材１３としてｐ型ＦｅＳ
ｉ２を、第２の線材としてｎ型ＦｅＳｉ２を組合せるも
のとする。あるいは、これらの線材１３，１４としてＢ
ｉ、Ｔｅ、Ｓｂ、Ｐｂの単体、若しくは、その化合物の
内から選択した組合せを用いることもできる。

【００２７】そして、その配線パターン１２における線
材１３，１４の延在する方向（図１、矢印方向）の両端
側（折り返し部分）において、線材１３および１４は電
気的に接続されている。

【００２８】この薄膜熱電対パターン１２の表面全体は
酵素の担体となる厚膜１５によって被覆されている。こ
の厚膜担体１５は細孔制御セラミックスの粉体、例えば
ＴｉＯ２、ガラス、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２等をスクリーン
印刷等の手段により被着してさらに焼成したものである
。

【００２９】さらに、この厚膜１５全体には酵素、例え
ばウレアーゼが固定化されている。例えばガラス１５上
に酵素を固定化する場合は、シラノール基をシラン処理
して、次に、アゾ結合をつくって酵素を固定化するもの
である。

【００３０】そして、このようにして酵素を固定化した
担体厚膜１５の一部、すなわち、熱電対パターン１２の
線材１３、線材１４の一端側の接続部上の担体厚膜１５
Ａには、例えば所定波長のレーザが照射されてその酵素
が熱失活させられている。

【００３１】したがって、この担体厚膜１５に被覆され
、酵素が熱失活された配線パターン１２の一端側部分は
低温部として、また、その他端側部分は高温部として、
熱電対を構成することとなる。

【００３２】なお、これらの熱電対パターン１２におい
て線材１３，１４の両端部は電極部としてそれぞれリー
ド線を介して電圧測定器に接続されている。

【００３３】また、このようにして得られたセンサ素子
は、酵素等を変更することによって、検知する基質を選
択することができる。ウレアーゼの場合は検出される基
質は尿素である。

【００３４】また、熱電対パターン１２の繰り返し数（
線材１３，１４の接続の数）を増やすことによってその
感度を向上させることができる。

【００３５】次に、本実施例に係る酵素センサの製法を
説明する。

【００３６】まず、絶縁体基板１１としてアルミナ基板
を使用するものとする。そして、この基板１１上に所定
パターンのレジストを被着し、さらに、この上から例え
ばスパッタリングによりＦｅＳｉ２膜１３を全面に被着
する。このスパッタリング条件は、Ａｒガス圧を、３×
１０−３Ｔｏｒｒとし，印加電圧はＤＣ１ＫＶであり、
その膜厚を３μｍであった。

【００３７】次に、レジストとともにＦｅＳｉ２膜１３
をリフトオフして、上記櫛歯状のパターンを基板１１上
に形成する。

【００３８】続いて同様の方法でＦｅＳｉ２膜１４から
なる櫛歯上のパターンを形成する。

【００３９】次いで、第１の線材１３と第２の線材１４
とを結晶化させるためにアニールを行い、熱電対パター
ン１２を完成させる。例えば、これらの線材をＦｅＳｉ
２で形成した場合には、６００℃で３０分間のアニール
を行う。アニールにより熱起電力を高めるものである。

【００４０】さらに、この熱電対パターン１２を形成す
るＦｅＳｉ２膜１３，１４の全面上に例えばスクリーン
印刷により所定の厚さのガラス膜１５を被着する。

【００４１】このガラス膜１５上には例えばシラノール
基をシラン処理し、そして、アゾ結合をつくることによ
りウレアーゼを固定化する。

【００４２】そして、このガラス膜１５の上面で他端側
部分には例えばレジストを被着する。さらに、このガラ
ス膜表面の一端側部分１５Ａには所定波長のレーザを照
射してウレアーゼを熱失活させる。この結果、一端側部
分のガラス膜１５Ａに固定化されたウレアーゼは熱失活
しており、他端側部分のそれは熱失活していないことと
なる。

【００４３】このようにして形成されたセンサ素子に対
し、線材１３，１４の電極部にリード線をハンダ付けす
る。そして、これらリード線を例えば電圧測定器に接続
する。

【００４４】なお、上記リソグラフィプロセスを各層毎
に繰り返すことにより、複数層を積層することができる
。

【００４５】したがって、この厚膜１５表面が基質（尿
素）を含む媒体にさらされると、失活していない酵素（
ウレアーゼ）によって酵素反応が生じ、尿素は二酸化炭
素とアンモニアに分解される。そして、このとき、所定
の発熱を生じる。この結果、担体厚膜１５の他端側部分
の温度が上昇する一方、一端側部分１５Ａの温度は酵素
反応による温度上昇は生じない。すなわち、この線材１
３，１４においてその他端側部分が加熱されて高温にな
り、その一端側部分が低温の状態であると、第１の線材
１３と第２の線材１４とに熱起電力が発生する。

【００４６】そして、これらの熱電対パターン１２によ
り生じた熱起電力を電圧測定器によって測定することに
より基質である尿素の濃度を検出することができる。こ
の場合、測定可能な温度差は、例えば１０−３〜１０−
２Ｋである。

【００４７】また、この酵素サーミスタにあっては、測
定対象の物質を直接測定することができ、周囲の温度等
を補償するための回路等の手段は不必要である。さらに
、上記実施例に示すように、吸着による温度上昇は熱電
対の両端部に同じ程度に作用するため、これは電圧測定
の段階でキャンセルされているものである。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る酵素
センサは、周囲温度に対する補償回路（補償素子）が不
必要で、小型化することができ、しかもその高感度化を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る酵素センサを示すその
平面図である。

【図２】一実施例に係る酵素センサの縦断面図である。

【符号の説明】

１１　　絶縁性基板 １２　　熱電対パターン １３　　第１の線材（第１の熱電変換物質）１４　　第
２の線材（第１の熱電変換物質）１５　　担体厚膜（酵
素担体）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　絶縁性基板と、この絶縁性基板の表面
   に配設された熱電対パターンと、この熱電対パターンの
   一端部の表面上に被着された酵素担体と、を備えたこと
   を特徴とする酵素センサ。
2. 【請求項２】　　上記熱電対パターンは、その一端側か
   ら他端側に向かって延在するＮ型半導体からなる第１の
   熱電変換物質と、この第１の熱電変換物質に一端側で電
   気的に接続され、他端側に向かって延在するＰ型半導体
   からなる第２の熱電変換物質と、を有する［請求項１］
   に記載の酵素センサ。
3. 【請求項３】　　上記熱電対パターンは一平面に配設さ
   れた構造を有する［請求項１］または［請求項２］に記
   載の酵素センサ。
4. 【請求項４】　　上記熱電対パターンは絶縁膜を介して
   複数層に積層された構造である［請求項１］、［請求項
   ２］または［請求項３］に記載の酵素センサ。
5. 【請求項５】　　上記第１の熱電変換物質および第２の
   熱電変換物質は、ＦｅＳｉ２系化合物である［請求項２
   ］、［請求項３］または［請求項４］に記載の酵素セン
   サ。