検出素子
【課題】塩またはイオンの検出を精度よく、かつ長期にわたって安定して行い得る検出素子を提供すること。
【解決手段】検出素子１００は、被検体液（被検体）１５１中の塩またはイオンを検出可能な検出部１１０を有し、検出部１１０は、作用電極（基部）１２１と、作用電極１２１に一端部が連結する主鎖と、主鎖から分岐し、塩またはイオンを構成するイオンを捕捉可能なイオン捕捉部を含む側鎖とを有する重合物とを備える。
【解決手段】検出素子１００は、被検体液（被検体）１５１中の塩またはイオンを検出可能な検出部１１０を有し、検出部１１０は、作用電極（基部）１２１と、作用電極１２１に一端部が連結する主鎖と、主鎖から分岐し、塩またはイオンを構成するイオンを捕捉可能なイオン捕捉部を含む側鎖とを有する重合物とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
目的イオンに対して選択的なイオン交換能を有する機能膜に、試料溶液（被検体）を接触させると、その膜電位は、試料溶液中に存在する目的イオンの活量の対数に対して、広範囲にわたって直線的に変化する。
このような機能膜をイオン感応膜として備えるイオンセンサ（検出素子）が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。このイオンセンサでは、イオン感応膜は、目的イオンを選択的に捕捉可能なイオノフォアを、可塑剤により熱可塑性樹脂中に分散させてなる。
【０００３】
しかしながら、かかる構成のイオン感応膜は、その内部（熱可塑性樹脂）に試料溶液が移行して膨潤したり、温度変化等によってイオノフォアがイオン感応膜から溶出したり等する。その結果、イオンセンサの目的イオンに対する応答性が変動する。
また、試料溶液の浸透によりイオン感応膜が部分的に破壊されたり、イオンセンサから剥離したり等する可能性があり、長期間安定して使用することができない。
【０００４】
さらに、熱可塑性樹脂に代えて硬化性樹脂を用いると、可塑剤との相溶性が不十分となり、イオン感応膜中のイオノフォアの量が減少する。その結果、イオンセンサの寿命安定性が不十分となるという問題がある。
このように、特許文献１に記載のイオンセンサは、イオン感応膜の構成上、高感度、寿命安定性等において何らかの問題を有する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１３１２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、塩またはイオンの検出を精度よく、かつ長期にわたって安定して行い得る検出素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の検出素子は、被検体中の塩またはイオンを検出可能な検出部を有する検出素子であって、
前記検出部は、基部と、該基部上に設けられた反応層とを有し、
前記反応層は、前記基部に一端部が連結する主鎖と、該主鎖から分岐し、前記塩を構成するイオンまたは前記イオンを捕捉可能なイオン捕捉部を含む側鎖とを有する重合物を備えることを特徴とする。
これにより、塩またはイオンの検出を精度よく行うことができる。また、重合物の側鎖に、イオン捕捉部が結合していることにより、イオン捕捉部の反応層からの逸脱を確実に防止することができる。このため、検出素子が経時的に劣化（検出感度の低下）するのを好適に防止することができる。
【０００８】
本発明の検出素子では、前記イオン捕捉部は、環状構造を有し、前記イオンの種類および／またはイオン径の違いに基づいて、前記環状構造内に前記イオンを捕捉する機能を有することが好ましい。
イオン捕捉部が環状構造（イオノフォア）を有することにより、各種イオンをより確実に捕捉し、保持することができる。その結果、検出素子による検出感度の向上を図ることができる。
【０００９】
本発明の検出素子では、前記環状構造は、酸素原子、窒素原子および硫黄原子のうちの少なくとも１種を含むことが好ましい。
かかる環状構造は、イオン捕捉能が極めて高い構造であることから好ましい。また、環（内側空間）の大きさや、環の柔軟性を調整し易く、かかる環状構造の合成を比較的容易に行うことができるという利点もある。
【００１０】
本発明の検出素子では、前記イオン捕捉部は、さらに、前記環状構造内に捕捉された前記イオンに配位する配位構造を有することが好ましい。
これにより、環状構造内に捕捉されたイオンに対して、配位構造が配位することにより、イオンが蓋をされたような状態となり、環状構造内へ捕捉したイオンをより確実に保持することができる。
【００１１】
本発明の検出素子では、前記配位構造は、前記環状構造と前記主鎖との間に位置することが好ましい。
これにより、イオンを捕捉した状態の環状構造が主鎖側に、折り畳まれて配位構造に配位する。すなわち、主鎖の近傍に、主鎖に沿ってイオンが捕捉された状態となる。このため、捕捉状態と非捕捉状態とを電気的に検出する場合には、主鎖に沿った電子移動が円滑に行われ、取り出される電流量の増大、すなわち、検出素子の検出感度の増大（向上）を図ることができる。
【００１２】
本発明の検出素子では、前記イオン検出部を複数有することが好ましい。
これにより、同時に複数の塩またはイオンを検出することができる。
本発明の検出素子では、前記イオン検出部を複数有し、
複数の前記イオン検出部は、異なる種類の前記環状構造を備えることが好ましい。
これにより、一般的なイオン捕捉部を用いつつも、被検体中の単一の塩またはイオンの量を検出することができる。
【００１３】
本発明の検出素子では、当該イオン検出素子は、前記重合物が前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉していない非捕捉状態と、前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉した捕捉状態との違いを、前記反応層の電気的な特性の変化に基づいて検出するよう構成されていることが好ましい。
これにより、簡単な構成で塩またはイオンの検出を精度よく行うことができる。
【００１４】
本発明の検出素子では、前記重合物は、電子の移動を補助する電子移動補助部を有することが好ましい。
重合物が電子移動補助部を有することにより、重合物の主鎖に沿った電子移動が円滑になされる。その結果、取り出される電流量のさらなる増大を図ること、すなわち、検出素子の検出感度の向上を図ることができる。
【００１５】
本発明の検出素子では、前記重合物は、前記電子移動補助部を前記主鎖から分岐する側鎖に有することが好ましい。
電子移動補助部が、酸素原子や窒素原子を含む側鎖を介して主鎖に連結すると、イオン捕捉部に捕捉されたイオンに配位することができる。これにより、イオン捕捉部にイオンをさらに確実に保持することができるという効果が得られる。
【００１６】
本発明の検出素子では、当該イオン検出素子は、前記重合物が前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉していない非捕捉状態と、前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉した捕捉状態との違いを、前記反応層の質量変化に基づいて検出するよう構成されていることが好ましい。
これにより、簡単な構成で塩またはイオンの検出を精度よく行うことができる。
【００１７】
本発明の検出素子では、当該イオン検出素子は、前記重合物が前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉していない非捕捉状態と、前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉した捕捉状態との違いを、前記反応層の屈折率の変化に基づいて検出するよう構成されていることが好ましい。
これにより、簡単な構成で塩またはイオンの検出を精度よく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の検出素子を添付図面に示す好適な実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
まず、本発明の検出素子の第１実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態の検出素子を測定装置に装着した状態を示す模式図（斜視図）、図２は、図１に示す検出素子の一部を拡大して示す平面図、図３は、図２に示す検出素子のＡ−Ａ線断面図、図４は、図３に示すＡ−Ａ線断面図の部分拡大図である。なお、以下の説明では、図２中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」と言う。また、図３および図４中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
【００１９】
図１に示す測定装置１０１は、検出素子１００を接続して使用されるものであり、検出素子１００で得られた電流値を解析する処理回路２００を備えた演算装置２１０と、検出素子１００を装着（接続）するコネクタ１３１と、処理回路２００とコネクタ１３１とを接続する配線１３２とを有する。
検出素子１００は、図２および図３に示すように、基板１２０上に、作用電極１２１、対向電極１２２および参照電極１２３を備える検出部１１０を複数有している。
各電極１２１、１２２、１２３は、それぞれ独立して、配線１３０、コネクタ１３１および配線１３２を介して、処理回路２００と電気的に接続されている。また、検出素子１００は、コネクタ１３１に着脱自在に接続可能となっている。
【００２０】
基板１２０は、検出素子１００を構成する各部を支持するものである。
基板１２０の構成材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＳ）、ポリイミド（ＰＩ）等の各種樹脂材料、石英ガラスのような各種ガラス材料、アルミナ、ジルコニアのような各種セラミックス材料等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
また、各電極１２１、１２２および１２３の構成材料としては、それぞれ、例えば、金、銀、銅、白金またはこれらを含む合金のような金属材料、ＩＴＯのような金属酸化物系材料、グラファイトのような炭素系材料等が挙げられる。
【００２１】
図２および図３に示すように、基板１２０上には、配線１３０を覆うように絶縁膜１６０が設けられている。この絶縁膜１６０には、複数の開口部１６５が形成されており、各開口部１６５において、一組の電極１２１、１２２および１２３が露出している。
また、作用電極１２１上には、後述する反応層（イオン感応層）１４０が設けられており、各開口部１６５の内側の部分が、検出部１１０を構成している。
【００２２】
このような検出素子１００では、図３に示すように、検出部（試料供給空間）１１０に、被検体液１５１を供給すると、反応層１４０と被検体液１５１とが接触する。これにより、被検体液１５１中のターゲット４が反応層１４０に捕捉される。ターゲット４が反応層１４０に捕捉（トラップ）されると、反応層１４０の電気的な特性が変化する。したがって、この電気的特性の変化に基づいて、被検体液１５１中の、ターゲット４の量を測定することができる。
この反応層１４０の電気的な特性の変化としては、例えば、作用電極１２１から取り出すことができる電流量が変化や、反応層１４０の抵抗値の変化等が挙げられる。
【００２３】
ここで、被検体液１５１は、被検体（試料）が液体である場合には、そのまま、または、必要に応じて容量を調製（例えば希釈）することにより得られる。
液体の被検体としては、例えば、血液、尿、汗、リンパ液、髄液、胆汁、唾液等の体液や、生活排水、工業排水等の排水、プールの水、貯水タンク内の水等の貯留水、または、これらの液体に各種処理を施した処理済み液等が挙げられる。
【００２４】
また、細胞、土壌、鉱物のような固体（固形）の被検体を用いる場合には、例えば、これを粉砕し、極性溶媒類に懸濁し、抽出することにより、被検体液１５１とすることができる。
抽出溶媒としては、水、メタノール（ＭｅＯＨ）、エタノール（ＥｔＯＨ）、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、アセトニトリル（ＭｅＣＮ）、炭酸プロピレン（ＰＣ）およびそれらの混合溶液等が挙げられる。
【００２５】
本発明の検出素子１００は、反応層１４０がターゲット４として、塩を構成するイオン、またはイオンを捕捉可能となっている。
このようなターゲット（捕捉対象物）４としては、例えば、例えば、Ｎａ、Ｋのようなアルカリ金属、Ｍｇ、Ｃａのようなアルカリ土類金属等の金属イオン、または、無機塩および４級アンモニウム塩のような有機塩等を構成する前記金属イオンが挙げられる。
【００２６】
さて、本実施形態の反応層１４０は、重合物３の集合体で構成されている。図４に示すように、各重合物３は、それぞれ、主鎖３１と、第１の連結体３２１を介して主鎖３１に連結するイオン捕捉部３２２と、第２の連結体３４１を介して主鎖３１に連結する電子移動補助部３４２とを有している。そして、第１の連結体３２１およびイオン捕捉部３２２により第１の側鎖３２３が構成され、第２の連結体３４１および電子移動補助部３４２により第２の側鎖３４３が構成されている。
【００２７】
主鎖３１は、直鎖状をなし、その一端部において作用電極１２１に連結している。また、主鎖３１は、第１の側鎖３２３や第２の側鎖３４３のような側鎖を任意の箇所に導入し得るように、後述するようなリビング重合で合成し得るものであるのが好ましい。
このような主鎖３１としては、特に限定されないが、リビング重合による合成し易さを考慮した場合、その主骨格が、炭化水素鎖（特に、飽和炭化水素鎖）で構成されるものが好適に用いられる。
【００２８】
イオン捕捉部３２２は、ターゲット４であるイオン自体、またはターゲット４である塩を構成するイオンを高い選択性で捕捉する機能を有する。
イオン捕捉部３２２としては、例えば、前記イオンの種類および／またはイオン径の違いに基づいて、内側空間に前記イオンを捕捉する環状構造（イオノフォア）、前記イオンと電気的に結合するＳＯ３−基、ＣＯ２−基、ＰＯ4Ｈ−基、ＮＨ３＋基のようなイオン性基等を有するものが挙げられるが、特に、イオノフォアを有するものが好ましい。イオン捕捉部３２２としてイオノフォアを有するものを用いることにより、各種イオンを、その種類および／またはイオン径の違いに基づいて、より確実に捕捉し、保持することができる。その結果、検出素子１００による検出感度の向上を図ることができる。
【００２９】
また、このイオノフォア（環状構造）としては、例えば、酸素原子、窒素原子および硫黄原子のうちの少なくとも１種を含むもの（すなわち、メチレン基同士を、酸素原子、窒素原子または硫黄原子で結合したもの）、メチレン基のみで構成されたもの（炭化水素環）等が挙げられるが、特に、メチレン基同士を、酸素原子、窒素原子または硫黄原子（ヘテロ原子）で結合したものが好ましい。このようなイオノフォアは、イオン捕捉能が極めて高い構造であることから好ましい。また、環（内側空間）の大きさや、環の柔軟性を調整し易く、かかるイオノフォアの合成を比較的容易に行うことができるという利点もある。
このようなヘテロ原子を含むイオノフォアとしては、例えば、下記化１で表されるクラウンエーテル系、下記化２で表されるプロピレングリコール系、下記化３で表されるアザクラウン系、下記化４で表されるスルフィド系（チオエーテル系）等のものが挙げられる。
【００３０】
【化１】
［（ａ）および（ｂ）の式中、ｎは１−４の整数を示す。（ｃ）の式中、それぞれｎは０−２、ｍは０−２の整数を示す。］
【００３１】
【化２】
［式中、ｎは１−３の整数を示す。］
【００３２】
【化３】
［各式中、ｎは１−４の整数を示す。］
【００３３】
【化４】
［式中、ｎは１−４の整数を示す。］
【００３４】
ここで、ｎ数が増えれば、環状構造（内側空間のサイズ）が大きくなり、捕捉し得るイオンの径も増大する傾向を示す。また、環状構造内にアリール基や不飽和結合等が含まれると、環状構造の柔軟性が低下する傾向を示す。
具体的には、例えば、ｎが３の上記化１（ａ）で表されるイオノフォアは、被検体液１５１中に含まれる溶媒（以下、「測定溶媒」という。）がＭｅＣＮの場合、Ｌｉイオン、Ｎａイオンを、測定溶媒がＰＣの場合、Ｎａイオンを、測定溶媒がＭｅＯＨの場合、Ｎａイオン、Ｋイオンを選択的に捕捉する。また、ｎが３の上記化１（ｂ）で表されるイオノフォアは、測定溶媒がＭｅＣＮの場合、Ｎａイオンを、測定溶媒がＰＣの場合、Ｎａイオン、Ｋイオンを、測定溶媒がＭｅＯＨの場合、Ｎａイオンを選択的に捕捉する。また、ｎ、ｍがそれぞれ１の上記化１（ｃ）で表されるイオノフォアは、測定溶媒がＭｅＣＮの場合、Ｋイオンを、測定溶媒がＰＣの場合、Ｎａイオン、Ｋイオンを、測定溶媒がＭｅＯＨの場合、Ｋイオン、Ｒｂイオンを、測定溶媒が水の場合は、Ｋイオンを選択的に捕捉する。
【００３５】
イオン捕捉部３２２は、環状構造（イオノフォア）を有する場合、さらに、環状構造内に捕捉されたイオンに配位する配位構造を有するのが好ましい。環状構造内に捕捉されたイオンに対して、配位構造が配位することにより、イオンが蓋をされたような状態となり、環状構造内へ捕捉したイオンをより確実に保持することができる。
また、環状構造と配位構造とにより、より大きいサイズの空間を確保することができる。このため、環状構造のサイズを大きくすることなく、イオン捕捉部３２２において、より大きいサイズのイオンが捕捉可能となる。
【００３６】
また、配位構造は、イオン捕捉部３２２の末端（主鎖３１と反対側の端部）にあってもよいが、環状構造と主鎖３１との間（すなわち、第１の側鎖３２３の途中）に位置するのが好ましい。これにより、イオンを捕捉した状態の環状構造が主鎖３１側に、折り畳まれて配位構造に配位する。すなわち、主鎖３１の近傍に、主鎖３１に沿ってイオンが捕捉された状態となる。このため、本実施形態では、主鎖３１に沿った電子移動が円滑に行われ、作用電極１２１から取り出される電流量の増大、すなわち、検出素子１００の検出感度の増大（向上）を図ることができる。
かかる配位構造を有するイオン捕捉部３２２の具体例としては、例えば、下記化５、化６等が挙げられる。なお、これは、一例であり、配位構造部分に含まれる酸素原子を、例えば、窒素原子、リン原子等の他の非共有電子対を有する原子に変更してもよい。
【００３７】
【化５】
［式中、Ｘは、独立してＯ、ＮまたはＳを示し、ｎは１−４の整数を示し、ｍは１−６の整数を示す。］
【００３８】
【化６】
［式中、Ｘは、独立してＯ、ＮまたはＳを示し、ｎは１−４の整数を示す。］
【００３９】
主鎖３１に結合するイオン捕捉部３２２の数は、特に限定されないが、２〜４０程度であるのが好ましく、５〜２０程度であるのがより好ましい。イオン捕捉部３２２がかかる個数で主鎖３１に結合していると、ターゲット４を十分かつ確実に反応層１４０に捕捉することができる。
一方、電子移動補助部３４２は、作用電極１２１から電流を取り出す際に、反応層１４０における電子の移動を補助する機能を有する。このため、重合物３が電子移動補助部３４２を有することにより、反応層１４０における電子移動が円滑になされる。その結果、作用電極１２１から取り出される電流量のさらなる増大を図ること、すなわち、検出素子１００の検出感度の向上を図ることができる。
この電子移動補助部３４２としては、例えば、フェロセン、ポルフィリン、フタロシアニン、メチレンブルー等が挙げられる。
【００４０】
また、電子移動補助部３４２と主鎖３１とは、直接連結していてもよいが、第２の連結体３４１を介して連結しているのが好ましい。
この第２の連結体３４１としては、例えば、−（ＣＨ２）ｎＮＨ−、−（ＣＨ２）ｎＯ−、−（ＯＣ２Ｈ４）ＮＨ−、−（ＯＣ２Ｈ４）Ｏ−、−（ＣＨ２）ｍＯ（ＣＨ２）ｎＮＨ−、−（ＣＨ２）ｍＯ（ＣＨ２）ｎＯ−等が挙げられる。これらの第２の連結体３４１は、酸素原子や窒素原子を含むため、前記イオン捕捉部３２２に捕捉されたイオンに配位することができる。これにより、イオン捕捉部３２２にイオンをさらに確実に保持させることができる。なお、前記ｍおよびｎは、それぞれ１以上の任意の整数を示す。
【００４１】
主鎖３１に結合する電子移動補助部３４２の数は、特に限定されないが、１〜２０程度であるのが好ましく、５〜１０程度であるのがより好ましい。電子移動補助部３４２がかかる個数で主鎖３１に結合していると、作用電極１２１から取り出すことができる電流量をより大きくすることができる。
なお、電子移動捕捉部３４２は、必要に応じて設けるようにすればよく、省略することができる。
【００４２】
第１の側鎖３２３および第２の側鎖３４３は、主鎖３１から分枝し、それぞれ、その端部に、第１の連結体３２１および第２の連結体３４１を介して、イオン捕捉部３２２および電子移動補助部３４２が連結している。
このような第１の側鎖３２３および第２の側鎖３４３において、第１の連結体３２１および第２の連結体３４１は、これらを構成する原子のうち、直鎖状に連結する炭素原子の個数、すなわちイオン捕捉部３２２および電子移動補助部３４２と主鎖３１との間に存在する炭素数が、それぞれ、２〜２０程度であるのが好ましく、５〜１０程度であるのがより好ましい。これにより、主鎖３１とイオン捕捉部３２２および電子移動補助部３４２との間の離間距離を、それぞれ、適度に維持した状態で、イオン捕捉部３２２および電子移動補助部３４２を主鎖３１に連結することができる。
【００４３】
このような重合物３の作用電極１２１に結合している密度は、０．５〜１０ｎｍ2/個程度であるのが好ましく、１〜５ｎｍ2/個であるのがより好ましい。作用電極１２１に結合する重合物３の個数を前記範囲とすることにより、必要かつ十分なターゲット４を捕捉することができる。
このように作用電極１２１に結合する重合物３の側鎖に、イオン捕捉部３２２が結合していると、イオン捕捉部３２２の反応層１４０からの逸脱を確実に防止することができる。このため、検出素子１００の経時的な劣化（検出感度の低下）を好適に防止することができる。
このような検出素子１００では、例えば、図４（ａ）に示すように、重合物３の周囲に、ターゲット４が存在しない場合には、イオン捕捉部３２２同士、電子移動補助部３４２同士またはイオン捕捉部３２２と電子移動補助部３４２との相互作用によって、重合物３（主鎖３１）が収縮した状態となっている。
【００４４】
一方、図４（ｂ）に示すように、ターゲット４が、それぞれ重合物３のイオン捕捉部３２２に捕捉されると、ターゲット４同士の反発力により、重合物３（主鎖３１）が伸張した状態となる。そして、捕捉されたターゲット４の種類や量等、全体としての荷電量の違いにより、作用電極１２１から異なる電流値が得られる。
なお、本実施形態では、ターゲット４を捕捉した捕捉状態と、捕捉していない非捕捉状態において作用電極１２１から取り出される電流値の違いを検出するが、捕捉状態および非捕捉状態では、反応層１４０の質量（重量）、層厚（膜厚）が変化するため、これを検出するようにしてもよい。後者のように構成された検出素子については、後の実施形態（第３および第４実施形態）において説明する。
また、以上のような重合物３の製造方法（合成方法）については、後に詳述する。
【００４５】
対向電極１２２は、作用電極１２１との間に電圧を印加する電極である。検出部１１０に被検体液１５１を供給した状態で、作用電極１２１と対向電極１２２との間に、作用電極１２１側が高電位となるように電圧を印加すると、イオン捕捉部３２２にターゲット４が捕捉されたか否か、または捕捉されたターゲット４の量に応じて、作用電極１２１から異なる電流値が検出される。
また、対向電極１２２の面積は、作用電極１２１の１．５倍以上であるのが好ましく、１０倍以上であるのがより好ましい。これにより、より高い精度で電流値を測定することができる。
【００４６】
参照電極１２３は、対向電極１２２との間に電圧を印加する電極である。検出部１１０に被検体液１５１を供給した状態で、参照電極１２３と対向電極１２２との間に電圧を印加する。そして、これらの電極間に流れる電流値と、前述の作用電極１２１と対向電極１２２との間に流れる電流値とを比較することにより、イオン捕捉部３２２が捕捉したターゲット４に基づく電流値の変化を、より高い精度で検出（測定）することができる。
【００４７】
参照電極１２３の構成材料としては、上述した材料の他、例えば、銀−塩化銀、水銀−硫酸水銀等を用いることもできる。
また、前述の作用電極１２１、対向電極１２２、参照電極１２３、および配線１３０は、導電性材料粉末の集合体で構成されているのが好ましい。これにより、これらの電極および配線を、各種印刷法を用いて容易に形成することができる。その結果、検出素子１００の製造工程を大幅に簡素化することができ、検出素子１００の低コスト化を図ることができる。
【００４８】
絶縁膜１６０は、前述したように、開口部１６５を有し、この開口部１６５内に被検体液１５１が供給される。
この絶縁膜１６０の平均厚さは、特に限定されないが、１０〜５０００ｎｍ程度であるのが好ましく、５０〜１０００ｎｍ程度であるのがより好ましい。絶縁膜１６０の厚さを前記範囲とすることにより、各電極１２１、１２２、１２３同士および配線１３０同士を、確実に絶縁することができる。
【００４９】
次に、図１に示す検出素子１００の製造方法（特に、反応層１４０の形成方法）について説明する。
図５は、図１に示す検出素子の製造方法を説明するための図（縦断面図）である。なお、以下の説明では、図５中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
【００５０】
＜１＞ まず、基板１２０を用意し、図５（ａ）に示すように、この基板１２０上に、作用電極１２１、対向電極１２２、参照電極１２３および配線１３０を形成する。
これらの電極および配線は、次のようにして形成することができる。
まず、基板１２０上に金属膜（金属層）を形成する。
これは、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、レーザーＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着、スパッタリング（低温スパッタリング）、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、浸漬メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射法、ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、金属箔の接合等により形成することができる。
【００５１】
次に、この金属膜上に、フォトリソグラフィー法により、電極および配線の形状に対応する形状のレジスト層を形成する。このレジスト層をマスクとして用いて、金属膜の不要部分を除去する。
この金属膜の除去には、例えば、プラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング、ビームエッチング、光アシストエッチング等の物理的エッチング法、ウェットエッチング等の化学的エッチング法等のうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００５２】
その後、レジスト層を除去することにより、目的とする電極および配線が得られる。
なお、これらの電極および配線は、それぞれ、例えば、導電性粒子を含有するコロイド液（分散液）、導電性ポリマーを含有する液体（溶液または分散液）等の液状材料を基板５０上に供給して被膜を形成した後、必要に応じて、この被膜に対して後処理（例えば加熱、赤外線の照射、超音波の付与等）を施すことにより形成することもできる。
【００５３】
このような液状材料を基板１２０上に供給する方法としては、例えば、ディッピング法、スピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイヤーバーコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェット法、マイクロコンタクトプリンティング法等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの中でも、特に、インクジェット法（液滴吐出法）を用いるのが好ましい。インクジェット法（液滴吐出法）によれば、目的とする電極および配線を、容易かつ寸法精度よく形成することができる。
【００５４】
＜２＞ 次に、図５（ｂ）に示すように、開口部１６５を有する絶縁膜１６０を形成する。
この絶縁膜１６０は、例えば、有機絶縁性材料（例えばフォトポリマー）を用いて、フォトリソグラフィー法により形成することができる。また、有機絶縁性材料を液滴吐出法により、目的とする絶縁膜１６０のパターンで吐出して形成するようにしてもよい。
なお、絶縁膜１６０は、無機絶縁性材料を用いて、前記電極および配線と同様にして形成することもできる。
【００５５】
＜３＞ 次に、図５（ｃ）に示すように、作用電極１２１上に反応層１４０を形成する。ここでは、重合物３として図６に示すものを、リビング重合法を用いて形成（生成）する場合を一例に説明する。
図７〜図９は、それぞれ、反応層（重合物）の形成を説明するための模式図である。なお、以下の説明では、図７〜図９中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
【００５６】
＜３Ａ＞ まず、後述する触媒により活性化される化学結合と、作用電極１２１に化学結合する結合性基Ｘとを有する下記化合物（Ａ）を重合開始剤３７として用意する。
【００５７】
【化７】
【００５８】
ここで、作用電極１２１がＡｕ、Ａｇ、ＰｔまたはＣｕ等の金属材料、またはこれらを含む合金で構成される場合には、結合性基Ｘには、例えば、チオール基（ＳＨ基）、ジスルフィド基（−ＳＳ−基）、モノスルフィド基（−Ｓ−基）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ基）等が選択される。
一方、作用電極１２１が酸化物材料で構成される場合、結合性基Ｘには、例えば、シラノール基を生成する加水分解基であるアルコキシシリル基、ハロゲノシリル基等が選択される。
【００５９】
例えば、結合性基ＸがＳＨ基の場合、このＳＨ基を作用電極１２１の上面に反応させる。これにより、重合開始剤３７が作用電極１２１上に、金属−チオール結合（−Ｓ−）を介して結合（連結）する。
これは、例えば、上記化合物（Ａ）で表される重合開始剤３７を含む溶液を、作用電極１２１の上面に選択的に接触させること等により行うことができる。なお、この溶液を作用電極１２１の上面に選択的に接触させる方法には、各種液相成膜法が用いられるが、中でも液滴吐出法が好適に用いられる。
このような工程により、図７に示すように、重合開始剤３７が、作用電極１２１の上面に固定化（固相化）される。
【００６０】
＜３Ｂ＞ 次に、イオン捕捉部３２２を有する第１のモノマーを用意する。
この第１のモノマーが有する重合基としては、例えば、（メタ）アクリロイル基、ビニル基、スチリル基のような炭素−炭素２重結合を含むもの、ノルボルニル基、エポキシ基、オキセタニル基等の開環反応を生起するもの等が挙げられるが、比較的重合活性が高く、安価という点等では、（メタ）アクリロイル基を含むモノマーを用いることが好ましい。
この第１のモノマーの具体例としては、例えば、下記化学式（Ｂ）で表される化合物等が挙げられる。
【００６１】
【化８】
［式中、Ｔｒａｐは、イオン捕捉部３２２を表す。また、Ｒ１は、水素原子またはメチル基を、Ｒ２は、メチレン基またはエチレン基をそれぞれ表す。］
【００６２】
これらのうち、例えば、イオン捕捉部３２２を含む前記化学式（Ｂ）で表される化合物は、例えば、以下に示すようにして合成することができる。
まず、ジクロロメタン（ＤＣＭ）中にイオン捕捉部３２２（イオノフォア）を溶解した後、Ｎａ２Ｆｅ（ＣＯ）４を添加して混合した後、酸素ガスを供給することにより、イオン捕捉部３２２の一部に水酸基を導入する。
このとき、イオン捕捉部３２２に水酸基を導入する際の反応条件としては、反応温度を０℃とし、反応時間を３０分間とする。
【００６３】
次に、水酸基が導入されたイオン捕捉部３２２を、ジエチルエーテルまたはテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）等のエーテル中に溶解する。そして、これにより得られる溶液中に、ピリジン、トリメチルアミンまたはジメチルアミン等の塩基性触媒を添加し、その後、置換または無置換の塩化アクリロイルを添加することにより、イオン捕捉部３２２の末端に置換または無置換のアクリロイル基を導入する。
以上のようにして、イオン捕捉部３２２を含む前記化学式（Ｂ）で表される化合物（第１のモノマー）が得られる。
【００６４】
［３Ｃ］ 次に、電子移動補助部３４２を有する第２のモノマーを用意する。
この第２のモノマーが有する重合基としては、前記第１のモノマーと同様の理由から、（メタ）アクリロイル基を含むものが好ましい。
この第３のモノマーの具体例としては、例えば、下記化学式（Ｃ）で表される化合物等が挙げられる。
【００６５】
【化９】
［式中、Ｍｅｄｉは、電子移動補助部３４２を表す。また、Ｒ３は、水素原子またはメチル基を、Ｒ４は、メチレン基またはエチレン基をそれぞれ表す。］
【００６６】
これらのうち、例えば、電子移動補助部３４２を含む前記化学式（Ｃ）で表される化合物は、Ｔｒａｐ（イオン捕捉部３２２）に代えてＭｅｄｉ（電子移動補助部３４２）を用意する以外は、イオン捕捉部３２２を含む前記化学式（Ｂ）で表される化合物と同様にして合成することができる。
【００６７】
［３Ｄ］ 次に、作用電極１２１の上面に固定化された重合開始剤３７（前記化学式（Ａ）で表される化合物）を基点として、第１のモノマーおよび第２のモノマーを、交互またはランダムにリビング重合（特に、原子移動ラジカル重合：ＡＴＲＰ）により重合させて重合物３を合成する。
このリビング重合は、触媒を含む溶液を、例えば、開口部１６５内に供給した後、この溶液に、第１のモノマーおよび第２のモノマーを同時にまたは順次に添加すること等により行うことができる。
【００６８】
触媒には、重合体の生長過程において、生長末端を活性化とすることができるものであればよく、例えば、遷移金属のハロゲン化物、水酸化物、酸化物、アルコキシド、シアン化物、シアン酸塩、チオシアン酸塩、アジド化物等が挙げられるが、ビピリジル、ホスフィン、一酸化炭素等の遷移金属の配位子として一般的なものを有する遷移金属錯体でもよい。これらのうち遷移金属のハロゲン化物を主成分とするものが好適である。遷移金属のハロゲン化物を主成分とする触媒は、リビング重合に適したものであることから好ましい。また、比較的安価かつ入手が容易であり、また取り扱いが容易であることからも好ましい。
また、遷移金属としては、例えば、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｕ、Ａｇ、Ｈｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ｍｏ、ＮｂおよびＺｎ等が挙げられる。
【００６９】
重合物３の合成の反応場として用いる溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、ブタノールのようなアルコール類、ｏ−ジクロロベンゼンのようなハロゲン化芳香族炭化水素類、ジエチルエーテルやテトラヒドロフラン等のエーテル類が挙げられる。
重合開始剤３７および触媒の存在下で、第１のモノマーを作用させることにより、まず重合開始剤３７に含まれる結合が触媒により活性化され、第１のモノマーと化合し、重合開始剤３７の、触媒により活性化された結合に含まれる原子が第１のモノマー側に移動し、触媒により活性化される結合が生長末端として再生する。
【００７０】
例えば、第１のモノマーとして前記化学式（Ｂ）で表される化合物を用い、触媒としてＣｕＢｒを用いることにより、図８に示すように、重合開始剤３７に第１のモノマーが化合するとともに、先端部（上端部）に生長末端が形成される。
また、前記溶液に第２のモノマーを添加すると、前述したのと同様にして、第１のモノマーに第２のモノマーが化合する。
例えば、第２のモノマーとして前記化学式（Ｃ）で表される化合物を用いることにより、図９に示すように、第１のモノマーに第２のモノマーが化合するとともに、先端部（上端部）に生長末端が形成される。
【００７１】
ここで、リビング重合では、重合物３の生長過程において、生長末端が常に重合活性を有するため、モノマーが消費され、重合反応が停止した後、新たにモノマーを加えると重合反応がさらに進行する。
したがって、反応系に供給するモノマーの量を変化させることによって、重合部３中のイオン捕捉部３２２と電子移動補助部３４２との数を精度よく制御することができる。これにより、所望の分子構造を有する重合物３を作用電極１２１の上面に、簡単な工程で形成することができる。また、得られる重合物３同士の間における特性のバラツキを抑えることができる。
【００７２】
前記溶液（反応液）は、重合反応を開始する前に、脱酸素処理を行っておくのが好ましい。脱酸素処理としては、例えば、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガスによる真空脱気後の置換やパージ処理等が挙げられる。
また、重合反応に際して、上記の溶液の温度を所定の温度（各モノマーおよび触媒が活性化する温度）まで加熱（加温）することにより、各モノマーの重合反応をより迅速かつ確実に行うことができる。
【００７３】
この加熱の温度は、イオン捕捉部３２２および電子移動補助部３４２の耐熱温度や触媒の種類等によっても若干異なり、特に限定されないが、２０〜５０℃程度であるのが好ましい。また、加熱の時間（反応時間）は、加熱の温度を前記範囲とする場合、１０〜２０時間程度であるのが好ましい。
以上の工程により、図１に示す検出素子１００が得られる。
【００７４】
次に、このような検出素子１００の使用方法、すなわち、被検体中のターゲット４の量を検出する方法について説明する。なお、ここでは、ターゲット４がイオンである場合を一例に説明する。
＜Ｉ＞ まず、評価に供する被検体液１５１、すなわち、ターゲット４を含有する被検体液１５１を調製する。
【００７５】
＜II＞ 次に、検出素子１００を用意し、各検出部（ウェル）１１０内に、被検体液１５１を注入（供給）する。
各検出部１１０内に被検体液１５１を供給すると、被検体液１５１中にターゲット（イオン）４が含まれている場合には、図４（ｂ）に示すように、このターゲット４がイオン捕捉部３２２に捕捉される。
【００７６】
＜III＞ 次に、この状態で、作用電極１２１から取り出される電流値を検出（測定）する。これにより、被検体液１５１中（すなわち、被検体中）に、対象とするイオンが存在するか否か、さらには、例えば予め測定された検量線やテーブルに基づいてイオンの量を求めることができる。
また、各イオン捕捉部３２２は、一般的に、単一のイオンを特異的に捕捉するものは極めて少ない。そこで、一般的なイオン捕捉部３２２を用いつつも、次のような手法により、被検体液１５１中の単一のイオンの量を検出することができる。
【００７７】
図１０は、単一のイオンの量を検出する方法を説明するための図である。なお、図１０中の「○」は、イオンが検出されたことを示し、「×」は、イオンが検出されていないことを示す。また、イオン径は、Ａ＜Ｂ＜Ｃであるものとして説明する。
また、図１０に示す例では、右に向かって順に環状構造の内側空間が大きくなり、下に向かって順に環状構造の柔軟性が低下するように、各検出部１１０ａ〜１１０ｉにおいて、反応層１４０が備えるイオン捕捉部３２２（イオノフォア）の種類が異なっている。
【００７８】
まず、イオンを含まないサンプルを用いると、図１０（ａ）に示すように、全ての検出部１１０ａ〜１１０ｉにおいて「×」となる。
また、Ａイオン、Ｂイオン、Ｃイオンのうちの少なくとも１つを含むサンプルを用いると、図１０（ｂ）〜図１０（ｈ）に示すように、特定の検出部が「○」となる。
例えば、Ａイオンのみ含むサンプルを用いると、検出部１１０ａ〜１１０ｄおよび１１０ｆにおいて「○」となる。
【００７９】
実際の被検体液１５１において、図１０（ｅ）のパターンが検出されれば、この被検体液１５１中には、ＡイオンおよびＢイオンが存在することが判る。そして、Ａイオンの量を検出するためには、Ａイオンのみを含むサンプルで「○」となっており、Ｂイオンのみを含むサンプルで「○」となっていない検出部、具体的には、検出部１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｆにおいて検出された電流値に基づいて、Ａイオンの量を求めるようにすればよい。一方、Ｂイオンの量を求める際には、検出部１１０ｅおよび１１０ｈにおいて検出された電流値に基づいて、Ｂイオンの量を求めるようにすればよい。
【００８０】
＜第２実施形態＞
次に、検出素子の第２実施形態について説明する。
以下、第２実施形態の検出素子について説明するが、前記第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１１は、第２実施形態の検出素子が有する検出部を示す縦断面図である。なお、以下では、図１１中の上側を「上」、下側を「下」として説明する。
【００８１】
図１１に示す検出素子１００Ａは、半導体基板１２０Ａと、各検出部１１０Ａを分離するトレンチ素子分離構造１１１Ａとを有している。
また、半導体基板１２０Ａの一方の面には、トレンチ素子分離構造１１１Ａの内側に、互いに離間したソース領域１３１Ａおよびドレイン領域１３２Ａとが設けられている。
ソース領域１３１Ａに接触するように、ソース電極１４１Ａが、ドレイン領域１３２Ａに接触するように、ドレイン電極１４２Ａがそれぞれ設けられている。
【００８２】
また、ソース領域１３１Ａおよびドレイン領域１３２Ａに接触するように、ゲート絶縁膜１３３Ａが設けられている。
そして、ソース電極１４１Ａ、ドレイン電極１４２Ａおよびゲート絶縁膜１３３Ａを覆うように、絶縁膜１５０Ａが設けられている。
また、ゲート絶縁膜１３３Ａに対応する開口部１６５Ａを有する絶縁膜１６０Ａが設けられている。
そして、開口部１６５Ａ内の絶縁膜（基部）１５０Ａの上面には、反応層１４０Ａが設けられている。
【００８３】
半導体基板１２０Ａは、例えば、シリコン等のｐ型半導体材料で構成されている。この場合、ソース領域１３１Ａおよびドレイン領域１３２Ａには、例えば、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）等のｎ型不純物が注入される。
ソース電極１４１Ａおよびドレイン電極１４２Ａは、それぞれ、例えば、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔのような金属またはこれらを含む合金等の導電性材料で構成されている。
また、ゲート絶縁膜１３３Ａおよび絶縁膜１５０Ａは、それぞれ、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４等の絶縁材料で構成されている。
【００８４】
絶縁膜１６０Ａおよび反応層１４０Ａは、それぞれ、前記第１実施形態の絶縁膜１６０および反応層１４０と同様の構成とすることができ、前記第１実施形態と同様にして形成することができる。
ここで、絶縁膜１５０ＡをＳｉ３Ｎ４で構成する場合、その上面には、酸化処理を施すようにする。これにより、絶縁膜１５０Ａの上面をＳｉＯ２とすることができる。このため、結合性基Ｘとしてシラノール基が生成する加水分解基等を有する重合開始剤３７を用いることにより、絶縁膜１５０Ａの上面に結合した重合物３を形成（合成）することができる。
【００８５】
このような検出素子１００Ａでは、検出部１１０Ａに被検体液１５１を供給すると、被検体液１５１中にイオンや塩が存在する場合、これらがイオン捕捉部３３２に捕捉される。これにより、捕捉されたイオンの種類や量に応じて、ゲート絶縁膜１３３Ａの上面に励起されるキャリア量（濃度）が変化する。その結果、ソース電極１４１Ａとドレイン電極１４２Ａとの間に流れる電流値、すなわち、ドレイン電極１４２Ａから取り出すことができる電流値が変化する。
【００８６】
＜第３実施形態＞
次に、検出素子の第３実施形態について説明する。
以下、第３実施形態の検出素子について説明するが、前記第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１２は、第３実施形態の検出素子が有する検出部の平面図、図１３は、図１２中のＢ−Ｂ線断面図である。なお、以下では、図１２中の上側を「上」、下側を「下」として説明する。
【００８７】
第３実施形態の検出素子１００Ｂは、非捕捉状態と捕捉状態との違いを、反応層１４０の電気的な特性の変化に基づいて検出するのに代えて、反応層１４０Ｂの質量変化に基づいて検出するよう構成した以外は、前記第１実施形態の検出素子１００と同様である。
すなわち、図１２および図１３に示す検出素子１００Ｂは、各検出部１１０Ｂに圧電素子１３０Ｂが設けられている。
【００８８】
圧電素子１３０Ｂは、平板状の圧電体１３１Ｂと、その両側の面にそれぞれ設けられた上電極１３２Ｂ、下電極１３３Ｂとで構成されている。各電極１３２Ｂ、１３３Ｂは、それぞれ独立して、配線１４２Ｂ、配線１４３Ｂを介して、処理回路２００と電気的に接続されている。
また、基板１２０Ｂには、凹部１２１Ｂが設けられている。この凹部１２１Ｂに下電極１３３Ｂ（および上電極１３２Ｂ）が対応するように、圧電体１３１Ｂの縁部が基板１２０Ｂに固定（固着）されている。
【００８９】
各電極１３２Ｂおよび１３３Ｂの構成材料としては、それぞれ、前記作用電極１２１と同様の材料を用いることができる。
圧電体１３１Ｂの材料としては、例えば、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびホウ酸リチウム等の圧電材料を用いることができる。なお、これらの材料は、単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて（例えば、積層体として）用いることができる。
【００９０】
また、絶縁膜１６０Ｂは、開口部１６５Ｂを有し、この開口部１６５Ｂから上電極１３２Ｂが露出している。
そして、上電極１３２Ｂの上面には、反応層１４０Ｂが設けられている。
絶縁膜１６０Ｂおよび反応層１４０Ｂは、それぞれ、前記第１実施形態の絶縁膜１６０および反応層１４０と同様の構成とすることができ、前記第１実施形態と同様にして形成することができる。
【００９１】
このような検出素子１００Ｂでは、検出部１１０Ｂに被検体液１５１を供給すると、被検体液１５１中にイオンや塩が存在する場合、これらがイオン捕捉部３３２に捕捉される。これにより、捕捉されたイオンの種類や量に応じて、反応層１４０Ｂの質量に変化が生じ、これに起因して、圧電素子１３０Ｂから検出される振動数も変化する。この変化を検出することにより、被検体中のターゲット４の量を検出（測定）することができる。
【００９２】
＜第４実施形態＞
次に、検出素子の第４実施形態について説明する。
以下、第４実施形態の検出素子について説明するが、前記第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１４は、第４実施形態の検出素子が有する検出部を示す縦断面図、図１５は、図１４に示す検出素子が適用される測定装置の構成を示す模式図（斜視図）である。なお、以下では、図１４および図１５中の上側を「上」、下側を「下」として説明する。
【００９３】
第４実施形態の検出素子１００Ｃは、非捕捉状態と捕捉状態との違いを、反応層１４０の電気的な特性の変化に基づいて検出するのに代えて、反応層１４０Ｃの屈折率の変化に基づいて検出するよう構成した以外は、前記第１実施形態の検出素子１００と同様である。
すなわち、図１４に示す検出素子１００Ｃは、金属基板１２０Ｃと、開口部１６５Ｃを有する絶縁膜１６０Ｃと、金属基板１２０Ｃの絶縁膜１６０Ｃ（開口部１６５Ｃ）から露出する上面に設けられた反応層１４０Ｃとを有している。そして、反応層１４０Ｃの膜厚（重合物３の長さ）が変化することに起因する反応層１４０Ｃの変化に基づいて、被検体（被検体液１５１）中のターゲット４の量を検出し得るよう構成されている。
金属基板１２０Ｃの構成材料としては、前記作用電極１２１と同様の材料を用いることができる。
【００９４】
また、絶縁膜１６０Ｃは、開口部１６５Ｃを有し、この開口部１６５Ｃから反応層１４０Ｃが露出している。
絶縁膜１６０Ｃおよび反応層１４０Ｃは、それぞれ、前記第１実施形態の絶縁膜１６０および反応層１４０と同様の構成とすることができ、前記第１実施形態と同様にして形成することができる。
【００９５】
このような検出素子１００Ｃの測定に用いる測定装置１０１Ｃは、検出素子１００Ｃを載置・固定する載置部１０２Ｃと、検出素子１００Ｃの上面に配置されるプリズム（光路変更手段）１０３Ｃと、検出素子１００Ｃに光を照射する投光手段（照射手段）１０４Ｃと、検出素子１００Ｃからの光を受光する受光手段１０５Ｃと、受光手段１０５Ｃで得られたデータ（例えば、画像データ）を解析する処理回路２００を備えた演算装置２１０と、処理回路２００と受光手段１０５Ｃとを接続する配線１３２とを有する。
【００９６】
また、投光手段１０４Ｃは、光源１０４１と、凸曲面同士を対向配置した一対の平凸レンズ１０４２、１０４３と、これらのレンズに対して光源１０４１と反対側に設けられたピンホール板１０４４と、ピンホール板１０４４を透過した光を平行光にする平凸レンズ１０４５と、ｐ偏光光を選択的に透過する偏光フィルタ１０４６とを有している。
一方、受光手段１０５Ｃは、配線１３２を介して演算装置２１０に接続されたＣＣＤカメラ１０５１と、検出素子１００Ｃからの光をＣＣＤカメラ１０５１に導くための導光手段（レンズ系）１０５２と、導光手段１０５２のＣＣＤカメラ１０５１と反対側に設けられた干渉フィルタ１０５３とを有している。
【００９７】
また、投光手段１０４Ｃおよび受光手段１０５Ｃは、それぞれ、図１５に示すように、検出素子１００Ｃ（プリズム１０３Ｃ）に対して回動し得るように設けられている。これにより、投光手段１０４Ｃからの任意の角度の光を受光手段１０５Ｃに受光し得るよう構成されている。
このような検出素子１００Ｃおよび測定装置１０１Ｃでは、表面プラズモン共鳴（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＳＰＲ）を利用して、被検体液１５１中のターゲット４の量を検出（測定）することができる。これは、次のような原理に基づくものである。
【００９８】
すなわち、投光手段１０４Ｃから発せられた光は、プリズム１０３Ｃと反応層１４０Ｃとの界面でエバネッセント波が生じ、その波数は次式により定義される。
ｋｅｖ＝ｋｐ・ｎｐ・ｓｉｎθ
ここで、ｋｐは入射光の波数、ｎｐはプリズム１０３Ｃの屈折率、θは入射角である。
一方、金属基板１２０Ｃの表面（反応層１４０Ｃとの界面）では、表面プラズモン波が生じ、その波数は次式により定義される。
ｋｓｐ＝（ｃ／ω）・√（εｎ２／（ε＋ｎ２））
ここで、ｃは光速、ωは角振動数、εは金属基板１２０Ｃの誘電率、ｎは反応層１４０Ｃの屈折率である。
【００９９】
このエバネッセント波と表面プラズモン波の波数が一致する入射角θのとき、エバネッセント波は、表面プラズモンの励起に使われ、例えば、図１６に示すように、反射光として観測される光量が減少する。
ＳＰＲ現象は、プリズム１０３Ｃおよび金属基板１２０Ｃに接した反応層１４０Ｃの屈折率に依存する。このため、例えば、反応層１４０Ｃの膜厚変化に基づく、反応層１４０Ｃの屈折率変化を測定することにより、反応層１４０Ｃ（重合物３）に捕捉されたターゲット４の検出（例えば定量）を行うことができる。
また、測定装置１０１Ｃを、図１５に示すような構成とすることにより、複数の検出部１１０Ｃを一括して検出することができる。
【０１００】
以上、本発明の検出素子を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものでない。
例えば、本発明の検出素子では、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】第１実施形態の検出素子を測定装置に装着した状態を示す模式図（斜視図）である。
【図２】図１に示す検出素子の一部を拡大して示す平面図である。
【図３】図２に示す検出素子のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図３に示すＡ−Ａ線断面図の部分拡大図である。
【図５】図１に示す検出素子の製造方法を説明するための図（縦断面図）である。
【図６】重合物の一例を示す模式図である。
【図７】反応層（重合物）の形成を説明するための模式図である。
【図８】反応層（重合物）の形成を説明するための模式図である。
【図９】反応層（重合物）の形成を説明するための模式図である。
【図１０】単一のイオンの量を検出する方法を説明するための図である。
【図１１】第２実施形態の検出素子が有する検出部を示す縦断面図である。
【図１２】第３実施形態の検出素子が有する検出部の平面図である。
【図１３】図１２中のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１４】第４実施形態の検出素子が有する検出部を示す縦断面図である。
【図１５】図１４に示す検出素子が適用される測定装置の構成を示す模式図（斜視図）である。
【図１６】図１５に示す測定装置で観測される光量の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０２】
１００……検出素子 １１０、１１０ａ〜１１０ｉ……検出部 １２０……基板 １２１……作用電極 １２２……対向電極 １２３……参照電極 １４０……反応層 １５１……被検体液 １６０……絶縁膜 １６５……開口部 １００Ａ……検出素子 １１０Ａ……検出部 １１１Ａ……トレンチ素子分離構造 １２０Ａ……半導体基板 １３１Ａ……ソース領域 １３２Ａ……ドレイン領域 １３３Ａ……ゲート絶縁膜 １４０Ａ……反応層 １４１Ａ……ソース電極 １４２Ａ……ドレイン電極 １５０Ａ……絶縁膜 １６０Ａ……絶縁膜 １６５Ａ……開口部 １００Ｂ……検出素子 １１０Ｂ……検出部 １２０Ｂ……基板 １２１Ｂ……凹部 １３０Ｂ……圧電素子 １３１Ｂ……圧電体 １３２Ｂ……上電極 １３３Ｂ……下電極 １４０Ｂ……反応層 １４２Ｂ……配線 １４３Ｂ……配線 １６０Ｂ……絶縁膜 １６５Ｂ……開口部 １００Ｃ……検出素子 １１０Ｃ……検出部 １２０Ｃ……金属基板 １４０Ｃ……反応層 １６０Ｃ……絶縁膜 １６５Ｃ……開口部 １０１……測定装置 １３０……配線 １３１……コネクタ １３２……配線 ２００……処理回路 ２１０……演算装置 １０１Ｃ……測定装置 １０２Ｃ……載置部 １０３Ｃ……プリズム １０４Ｃ……投光手段 １０４１……光源 １０４２……平凸レンズ １０４３……平凸レンズ １０４４……ピンホール板 １０４５……平凸レンズ １０４６……偏光フィルタ １０５Ｃ……受光手段 １０５１……ＣＣＤカメラ １０５２……導光手段 １０５３……干渉フィルタ ３……重合物 ３１……主鎖 ３２１……第１の連結体 ３２２……イオン捕捉部 ３２３……第１の側鎖 ３４３……第２の側鎖 ３４１……第２の連結体 ３４２……電子移動補助部 ３７……重合開始剤 ４……ターゲット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
目的イオンに対して選択的なイオン交換能を有する機能膜に、試料溶液（被検体）を接触させると、その膜電位は、試料溶液中に存在する目的イオンの活量の対数に対して、広範囲にわたって直線的に変化する。
このような機能膜をイオン感応膜として備えるイオンセンサ（検出素子）が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。このイオンセンサでは、イオン感応膜は、目的イオンを選択的に捕捉可能なイオノフォアを、可塑剤により熱可塑性樹脂中に分散させてなる。
【０００３】
しかしながら、かかる構成のイオン感応膜は、その内部（熱可塑性樹脂）に試料溶液が移行して膨潤したり、温度変化等によってイオノフォアがイオン感応膜から溶出したり等する。その結果、イオンセンサの目的イオンに対する応答性が変動する。
また、試料溶液の浸透によりイオン感応膜が部分的に破壊されたり、イオンセンサから剥離したり等する可能性があり、長期間安定して使用することができない。
【０００４】
さらに、熱可塑性樹脂に代えて硬化性樹脂を用いると、可塑剤との相溶性が不十分となり、イオン感応膜中のイオノフォアの量が減少する。その結果、イオンセンサの寿命安定性が不十分となるという問題がある。
このように、特許文献１に記載のイオンセンサは、イオン感応膜の構成上、高感度、寿命安定性等において何らかの問題を有する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１３１２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、塩またはイオンの検出を精度よく、かつ長期にわたって安定して行い得る検出素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の検出素子は、被検体中の塩またはイオンを検出可能な検出部を有する検出素子であって、
前記検出部は、基部と、該基部上に設けられた反応層とを有し、
前記反応層は、前記基部に一端部が連結する主鎖と、該主鎖から分岐し、前記塩を構成するイオンまたは前記イオンを捕捉可能なイオン捕捉部を含む側鎖とを有する重合物を備えることを特徴とする。
これにより、塩またはイオンの検出を精度よく行うことができる。また、重合物の側鎖に、イオン捕捉部が結合していることにより、イオン捕捉部の反応層からの逸脱を確実に防止することができる。このため、検出素子が経時的に劣化（検出感度の低下）するのを好適に防止することができる。
【０００８】
本発明の検出素子では、前記イオン捕捉部は、環状構造を有し、前記イオンの種類および／またはイオン径の違いに基づいて、前記環状構造内に前記イオンを捕捉する機能を有することが好ましい。
イオン捕捉部が環状構造（イオノフォア）を有することにより、各種イオンをより確実に捕捉し、保持することができる。その結果、検出素子による検出感度の向上を図ることができる。
【０００９】
本発明の検出素子では、前記環状構造は、酸素原子、窒素原子および硫黄原子のうちの少なくとも１種を含むことが好ましい。
かかる環状構造は、イオン捕捉能が極めて高い構造であることから好ましい。また、環（内側空間）の大きさや、環の柔軟性を調整し易く、かかる環状構造の合成を比較的容易に行うことができるという利点もある。
【００１０】
本発明の検出素子では、前記イオン捕捉部は、さらに、前記環状構造内に捕捉された前記イオンに配位する配位構造を有することが好ましい。
これにより、環状構造内に捕捉されたイオンに対して、配位構造が配位することにより、イオンが蓋をされたような状態となり、環状構造内へ捕捉したイオンをより確実に保持することができる。
【００１１】
本発明の検出素子では、前記配位構造は、前記環状構造と前記主鎖との間に位置することが好ましい。
これにより、イオンを捕捉した状態の環状構造が主鎖側に、折り畳まれて配位構造に配位する。すなわち、主鎖の近傍に、主鎖に沿ってイオンが捕捉された状態となる。このため、捕捉状態と非捕捉状態とを電気的に検出する場合には、主鎖に沿った電子移動が円滑に行われ、取り出される電流量の増大、すなわち、検出素子の検出感度の増大（向上）を図ることができる。
【００１２】
本発明の検出素子では、前記イオン検出部を複数有することが好ましい。
これにより、同時に複数の塩またはイオンを検出することができる。
本発明の検出素子では、前記イオン検出部を複数有し、
複数の前記イオン検出部は、異なる種類の前記環状構造を備えることが好ましい。
これにより、一般的なイオン捕捉部を用いつつも、被検体中の単一の塩またはイオンの量を検出することができる。
【００１３】
本発明の検出素子では、当該イオン検出素子は、前記重合物が前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉していない非捕捉状態と、前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉した捕捉状態との違いを、前記反応層の電気的な特性の変化に基づいて検出するよう構成されていることが好ましい。
これにより、簡単な構成で塩またはイオンの検出を精度よく行うことができる。
【００１４】
本発明の検出素子では、前記重合物は、電子の移動を補助する電子移動補助部を有することが好ましい。
重合物が電子移動補助部を有することにより、重合物の主鎖に沿った電子移動が円滑になされる。その結果、取り出される電流量のさらなる増大を図ること、すなわち、検出素子の検出感度の向上を図ることができる。
【００１５】
本発明の検出素子では、前記重合物は、前記電子移動補助部を前記主鎖から分岐する側鎖に有することが好ましい。
電子移動補助部が、酸素原子や窒素原子を含む側鎖を介して主鎖に連結すると、イオン捕捉部に捕捉されたイオンに配位することができる。これにより、イオン捕捉部にイオンをさらに確実に保持することができるという効果が得られる。
【００１６】
本発明の検出素子では、当該イオン検出素子は、前記重合物が前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉していない非捕捉状態と、前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉した捕捉状態との違いを、前記反応層の質量変化に基づいて検出するよう構成されていることが好ましい。
これにより、簡単な構成で塩またはイオンの検出を精度よく行うことができる。
【００１７】
本発明の検出素子では、当該イオン検出素子は、前記重合物が前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉していない非捕捉状態と、前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉した捕捉状態との違いを、前記反応層の屈折率の変化に基づいて検出するよう構成されていることが好ましい。
これにより、簡単な構成で塩またはイオンの検出を精度よく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の検出素子を添付図面に示す好適な実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
まず、本発明の検出素子の第１実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態の検出素子を測定装置に装着した状態を示す模式図（斜視図）、図２は、図１に示す検出素子の一部を拡大して示す平面図、図３は、図２に示す検出素子のＡ−Ａ線断面図、図４は、図３に示すＡ−Ａ線断面図の部分拡大図である。なお、以下の説明では、図２中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」と言う。また、図３および図４中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
【００１９】
図１に示す測定装置１０１は、検出素子１００を接続して使用されるものであり、検出素子１００で得られた電流値を解析する処理回路２００を備えた演算装置２１０と、検出素子１００を装着（接続）するコネクタ１３１と、処理回路２００とコネクタ１３１とを接続する配線１３２とを有する。
検出素子１００は、図２および図３に示すように、基板１２０上に、作用電極１２１、対向電極１２２および参照電極１２３を備える検出部１１０を複数有している。
各電極１２１、１２２、１２３は、それぞれ独立して、配線１３０、コネクタ１３１および配線１３２を介して、処理回路２００と電気的に接続されている。また、検出素子１００は、コネクタ１３１に着脱自在に接続可能となっている。
【００２０】
基板１２０は、検出素子１００を構成する各部を支持するものである。
基板１２０の構成材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＳ）、ポリイミド（ＰＩ）等の各種樹脂材料、石英ガラスのような各種ガラス材料、アルミナ、ジルコニアのような各種セラミックス材料等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
また、各電極１２１、１２２および１２３の構成材料としては、それぞれ、例えば、金、銀、銅、白金またはこれらを含む合金のような金属材料、ＩＴＯのような金属酸化物系材料、グラファイトのような炭素系材料等が挙げられる。
【００２１】
図２および図３に示すように、基板１２０上には、配線１３０を覆うように絶縁膜１６０が設けられている。この絶縁膜１６０には、複数の開口部１６５が形成されており、各開口部１６５において、一組の電極１２１、１２２および１２３が露出している。
また、作用電極１２１上には、後述する反応層（イオン感応層）１４０が設けられており、各開口部１６５の内側の部分が、検出部１１０を構成している。
【００２２】
このような検出素子１００では、図３に示すように、検出部（試料供給空間）１１０に、被検体液１５１を供給すると、反応層１４０と被検体液１５１とが接触する。これにより、被検体液１５１中のターゲット４が反応層１４０に捕捉される。ターゲット４が反応層１４０に捕捉（トラップ）されると、反応層１４０の電気的な特性が変化する。したがって、この電気的特性の変化に基づいて、被検体液１５１中の、ターゲット４の量を測定することができる。
この反応層１４０の電気的な特性の変化としては、例えば、作用電極１２１から取り出すことができる電流量が変化や、反応層１４０の抵抗値の変化等が挙げられる。
【００２３】
ここで、被検体液１５１は、被検体（試料）が液体である場合には、そのまま、または、必要に応じて容量を調製（例えば希釈）することにより得られる。
液体の被検体としては、例えば、血液、尿、汗、リンパ液、髄液、胆汁、唾液等の体液や、生活排水、工業排水等の排水、プールの水、貯水タンク内の水等の貯留水、または、これらの液体に各種処理を施した処理済み液等が挙げられる。
【００２４】
また、細胞、土壌、鉱物のような固体（固形）の被検体を用いる場合には、例えば、これを粉砕し、極性溶媒類に懸濁し、抽出することにより、被検体液１５１とすることができる。
抽出溶媒としては、水、メタノール（ＭｅＯＨ）、エタノール（ＥｔＯＨ）、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、アセトニトリル（ＭｅＣＮ）、炭酸プロピレン（ＰＣ）およびそれらの混合溶液等が挙げられる。
【００２５】
本発明の検出素子１００は、反応層１４０がターゲット４として、塩を構成するイオン、またはイオンを捕捉可能となっている。
このようなターゲット（捕捉対象物）４としては、例えば、例えば、Ｎａ、Ｋのようなアルカリ金属、Ｍｇ、Ｃａのようなアルカリ土類金属等の金属イオン、または、無機塩および４級アンモニウム塩のような有機塩等を構成する前記金属イオンが挙げられる。
【００２６】
さて、本実施形態の反応層１４０は、重合物３の集合体で構成されている。図４に示すように、各重合物３は、それぞれ、主鎖３１と、第１の連結体３２１を介して主鎖３１に連結するイオン捕捉部３２２と、第２の連結体３４１を介して主鎖３１に連結する電子移動補助部３４２とを有している。そして、第１の連結体３２１およびイオン捕捉部３２２により第１の側鎖３２３が構成され、第２の連結体３４１および電子移動補助部３４２により第２の側鎖３４３が構成されている。
【００２７】
主鎖３１は、直鎖状をなし、その一端部において作用電極１２１に連結している。また、主鎖３１は、第１の側鎖３２３や第２の側鎖３４３のような側鎖を任意の箇所に導入し得るように、後述するようなリビング重合で合成し得るものであるのが好ましい。
このような主鎖３１としては、特に限定されないが、リビング重合による合成し易さを考慮した場合、その主骨格が、炭化水素鎖（特に、飽和炭化水素鎖）で構成されるものが好適に用いられる。
【００２８】
イオン捕捉部３２２は、ターゲット４であるイオン自体、またはターゲット４である塩を構成するイオンを高い選択性で捕捉する機能を有する。
イオン捕捉部３２２としては、例えば、前記イオンの種類および／またはイオン径の違いに基づいて、内側空間に前記イオンを捕捉する環状構造（イオノフォア）、前記イオンと電気的に結合するＳＯ３−基、ＣＯ２−基、ＰＯ4Ｈ−基、ＮＨ３＋基のようなイオン性基等を有するものが挙げられるが、特に、イオノフォアを有するものが好ましい。イオン捕捉部３２２としてイオノフォアを有するものを用いることにより、各種イオンを、その種類および／またはイオン径の違いに基づいて、より確実に捕捉し、保持することができる。その結果、検出素子１００による検出感度の向上を図ることができる。
【００２９】
また、このイオノフォア（環状構造）としては、例えば、酸素原子、窒素原子および硫黄原子のうちの少なくとも１種を含むもの（すなわち、メチレン基同士を、酸素原子、窒素原子または硫黄原子で結合したもの）、メチレン基のみで構成されたもの（炭化水素環）等が挙げられるが、特に、メチレン基同士を、酸素原子、窒素原子または硫黄原子（ヘテロ原子）で結合したものが好ましい。このようなイオノフォアは、イオン捕捉能が極めて高い構造であることから好ましい。また、環（内側空間）の大きさや、環の柔軟性を調整し易く、かかるイオノフォアの合成を比較的容易に行うことができるという利点もある。
このようなヘテロ原子を含むイオノフォアとしては、例えば、下記化１で表されるクラウンエーテル系、下記化２で表されるプロピレングリコール系、下記化３で表されるアザクラウン系、下記化４で表されるスルフィド系（チオエーテル系）等のものが挙げられる。
【００３０】
【化１】
［（ａ）および（ｂ）の式中、ｎは１−４の整数を示す。（ｃ）の式中、それぞれｎは０−２、ｍは０−２の整数を示す。］
【００３１】
【化２】
［式中、ｎは１−３の整数を示す。］
【００３２】
【化３】
［各式中、ｎは１−４の整数を示す。］
【００３３】
【化４】
［式中、ｎは１−４の整数を示す。］
【００３４】
ここで、ｎ数が増えれば、環状構造（内側空間のサイズ）が大きくなり、捕捉し得るイオンの径も増大する傾向を示す。また、環状構造内にアリール基や不飽和結合等が含まれると、環状構造の柔軟性が低下する傾向を示す。
具体的には、例えば、ｎが３の上記化１（ａ）で表されるイオノフォアは、被検体液１５１中に含まれる溶媒（以下、「測定溶媒」という。）がＭｅＣＮの場合、Ｌｉイオン、Ｎａイオンを、測定溶媒がＰＣの場合、Ｎａイオンを、測定溶媒がＭｅＯＨの場合、Ｎａイオン、Ｋイオンを選択的に捕捉する。また、ｎが３の上記化１（ｂ）で表されるイオノフォアは、測定溶媒がＭｅＣＮの場合、Ｎａイオンを、測定溶媒がＰＣの場合、Ｎａイオン、Ｋイオンを、測定溶媒がＭｅＯＨの場合、Ｎａイオンを選択的に捕捉する。また、ｎ、ｍがそれぞれ１の上記化１（ｃ）で表されるイオノフォアは、測定溶媒がＭｅＣＮの場合、Ｋイオンを、測定溶媒がＰＣの場合、Ｎａイオン、Ｋイオンを、測定溶媒がＭｅＯＨの場合、Ｋイオン、Ｒｂイオンを、測定溶媒が水の場合は、Ｋイオンを選択的に捕捉する。
【００３５】
イオン捕捉部３２２は、環状構造（イオノフォア）を有する場合、さらに、環状構造内に捕捉されたイオンに配位する配位構造を有するのが好ましい。環状構造内に捕捉されたイオンに対して、配位構造が配位することにより、イオンが蓋をされたような状態となり、環状構造内へ捕捉したイオンをより確実に保持することができる。
また、環状構造と配位構造とにより、より大きいサイズの空間を確保することができる。このため、環状構造のサイズを大きくすることなく、イオン捕捉部３２２において、より大きいサイズのイオンが捕捉可能となる。
【００３６】
また、配位構造は、イオン捕捉部３２２の末端（主鎖３１と反対側の端部）にあってもよいが、環状構造と主鎖３１との間（すなわち、第１の側鎖３２３の途中）に位置するのが好ましい。これにより、イオンを捕捉した状態の環状構造が主鎖３１側に、折り畳まれて配位構造に配位する。すなわち、主鎖３１の近傍に、主鎖３１に沿ってイオンが捕捉された状態となる。このため、本実施形態では、主鎖３１に沿った電子移動が円滑に行われ、作用電極１２１から取り出される電流量の増大、すなわち、検出素子１００の検出感度の増大（向上）を図ることができる。
かかる配位構造を有するイオン捕捉部３２２の具体例としては、例えば、下記化５、化６等が挙げられる。なお、これは、一例であり、配位構造部分に含まれる酸素原子を、例えば、窒素原子、リン原子等の他の非共有電子対を有する原子に変更してもよい。
【００３７】
【化５】
［式中、Ｘは、独立してＯ、ＮまたはＳを示し、ｎは１−４の整数を示し、ｍは１−６の整数を示す。］
【００３８】
【化６】
［式中、Ｘは、独立してＯ、ＮまたはＳを示し、ｎは１−４の整数を示す。］
【００３９】
主鎖３１に結合するイオン捕捉部３２２の数は、特に限定されないが、２〜４０程度であるのが好ましく、５〜２０程度であるのがより好ましい。イオン捕捉部３２２がかかる個数で主鎖３１に結合していると、ターゲット４を十分かつ確実に反応層１４０に捕捉することができる。
一方、電子移動補助部３４２は、作用電極１２１から電流を取り出す際に、反応層１４０における電子の移動を補助する機能を有する。このため、重合物３が電子移動補助部３４２を有することにより、反応層１４０における電子移動が円滑になされる。その結果、作用電極１２１から取り出される電流量のさらなる増大を図ること、すなわち、検出素子１００の検出感度の向上を図ることができる。
この電子移動補助部３４２としては、例えば、フェロセン、ポルフィリン、フタロシアニン、メチレンブルー等が挙げられる。
【００４０】
また、電子移動補助部３４２と主鎖３１とは、直接連結していてもよいが、第２の連結体３４１を介して連結しているのが好ましい。
この第２の連結体３４１としては、例えば、−（ＣＨ２）ｎＮＨ−、−（ＣＨ２）ｎＯ−、−（ＯＣ２Ｈ４）ＮＨ−、−（ＯＣ２Ｈ４）Ｏ−、−（ＣＨ２）ｍＯ（ＣＨ２）ｎＮＨ−、−（ＣＨ２）ｍＯ（ＣＨ２）ｎＯ−等が挙げられる。これらの第２の連結体３４１は、酸素原子や窒素原子を含むため、前記イオン捕捉部３２２に捕捉されたイオンに配位することができる。これにより、イオン捕捉部３２２にイオンをさらに確実に保持させることができる。なお、前記ｍおよびｎは、それぞれ１以上の任意の整数を示す。
【００４１】
主鎖３１に結合する電子移動補助部３４２の数は、特に限定されないが、１〜２０程度であるのが好ましく、５〜１０程度であるのがより好ましい。電子移動補助部３４２がかかる個数で主鎖３１に結合していると、作用電極１２１から取り出すことができる電流量をより大きくすることができる。
なお、電子移動捕捉部３４２は、必要に応じて設けるようにすればよく、省略することができる。
【００４２】
第１の側鎖３２３および第２の側鎖３４３は、主鎖３１から分枝し、それぞれ、その端部に、第１の連結体３２１および第２の連結体３４１を介して、イオン捕捉部３２２および電子移動補助部３４２が連結している。
このような第１の側鎖３２３および第２の側鎖３４３において、第１の連結体３２１および第２の連結体３４１は、これらを構成する原子のうち、直鎖状に連結する炭素原子の個数、すなわちイオン捕捉部３２２および電子移動補助部３４２と主鎖３１との間に存在する炭素数が、それぞれ、２〜２０程度であるのが好ましく、５〜１０程度であるのがより好ましい。これにより、主鎖３１とイオン捕捉部３２２および電子移動補助部３４２との間の離間距離を、それぞれ、適度に維持した状態で、イオン捕捉部３２２および電子移動補助部３４２を主鎖３１に連結することができる。
【００４３】
このような重合物３の作用電極１２１に結合している密度は、０．５〜１０ｎｍ2/個程度であるのが好ましく、１〜５ｎｍ2/個であるのがより好ましい。作用電極１２１に結合する重合物３の個数を前記範囲とすることにより、必要かつ十分なターゲット４を捕捉することができる。
このように作用電極１２１に結合する重合物３の側鎖に、イオン捕捉部３２２が結合していると、イオン捕捉部３２２の反応層１４０からの逸脱を確実に防止することができる。このため、検出素子１００の経時的な劣化（検出感度の低下）を好適に防止することができる。
このような検出素子１００では、例えば、図４（ａ）に示すように、重合物３の周囲に、ターゲット４が存在しない場合には、イオン捕捉部３２２同士、電子移動補助部３４２同士またはイオン捕捉部３２２と電子移動補助部３４２との相互作用によって、重合物３（主鎖３１）が収縮した状態となっている。
【００４４】
一方、図４（ｂ）に示すように、ターゲット４が、それぞれ重合物３のイオン捕捉部３２２に捕捉されると、ターゲット４同士の反発力により、重合物３（主鎖３１）が伸張した状態となる。そして、捕捉されたターゲット４の種類や量等、全体としての荷電量の違いにより、作用電極１２１から異なる電流値が得られる。
なお、本実施形態では、ターゲット４を捕捉した捕捉状態と、捕捉していない非捕捉状態において作用電極１２１から取り出される電流値の違いを検出するが、捕捉状態および非捕捉状態では、反応層１４０の質量（重量）、層厚（膜厚）が変化するため、これを検出するようにしてもよい。後者のように構成された検出素子については、後の実施形態（第３および第４実施形態）において説明する。
また、以上のような重合物３の製造方法（合成方法）については、後に詳述する。
【００４５】
対向電極１２２は、作用電極１２１との間に電圧を印加する電極である。検出部１１０に被検体液１５１を供給した状態で、作用電極１２１と対向電極１２２との間に、作用電極１２１側が高電位となるように電圧を印加すると、イオン捕捉部３２２にターゲット４が捕捉されたか否か、または捕捉されたターゲット４の量に応じて、作用電極１２１から異なる電流値が検出される。
また、対向電極１２２の面積は、作用電極１２１の１．５倍以上であるのが好ましく、１０倍以上であるのがより好ましい。これにより、より高い精度で電流値を測定することができる。
【００４６】
参照電極１２３は、対向電極１２２との間に電圧を印加する電極である。検出部１１０に被検体液１５１を供給した状態で、参照電極１２３と対向電極１２２との間に電圧を印加する。そして、これらの電極間に流れる電流値と、前述の作用電極１２１と対向電極１２２との間に流れる電流値とを比較することにより、イオン捕捉部３２２が捕捉したターゲット４に基づく電流値の変化を、より高い精度で検出（測定）することができる。
【００４７】
参照電極１２３の構成材料としては、上述した材料の他、例えば、銀−塩化銀、水銀−硫酸水銀等を用いることもできる。
また、前述の作用電極１２１、対向電極１２２、参照電極１２３、および配線１３０は、導電性材料粉末の集合体で構成されているのが好ましい。これにより、これらの電極および配線を、各種印刷法を用いて容易に形成することができる。その結果、検出素子１００の製造工程を大幅に簡素化することができ、検出素子１００の低コスト化を図ることができる。
【００４８】
絶縁膜１６０は、前述したように、開口部１６５を有し、この開口部１６５内に被検体液１５１が供給される。
この絶縁膜１６０の平均厚さは、特に限定されないが、１０〜５０００ｎｍ程度であるのが好ましく、５０〜１０００ｎｍ程度であるのがより好ましい。絶縁膜１６０の厚さを前記範囲とすることにより、各電極１２１、１２２、１２３同士および配線１３０同士を、確実に絶縁することができる。
【００４９】
次に、図１に示す検出素子１００の製造方法（特に、反応層１４０の形成方法）について説明する。
図５は、図１に示す検出素子の製造方法を説明するための図（縦断面図）である。なお、以下の説明では、図５中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
【００５０】
＜１＞ まず、基板１２０を用意し、図５（ａ）に示すように、この基板１２０上に、作用電極１２１、対向電極１２２、参照電極１２３および配線１３０を形成する。
これらの電極および配線は、次のようにして形成することができる。
まず、基板１２０上に金属膜（金属層）を形成する。
これは、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、レーザーＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着、スパッタリング（低温スパッタリング）、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、浸漬メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射法、ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、金属箔の接合等により形成することができる。
【００５１】
次に、この金属膜上に、フォトリソグラフィー法により、電極および配線の形状に対応する形状のレジスト層を形成する。このレジスト層をマスクとして用いて、金属膜の不要部分を除去する。
この金属膜の除去には、例えば、プラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング、ビームエッチング、光アシストエッチング等の物理的エッチング法、ウェットエッチング等の化学的エッチング法等のうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００５２】
その後、レジスト層を除去することにより、目的とする電極および配線が得られる。
なお、これらの電極および配線は、それぞれ、例えば、導電性粒子を含有するコロイド液（分散液）、導電性ポリマーを含有する液体（溶液または分散液）等の液状材料を基板５０上に供給して被膜を形成した後、必要に応じて、この被膜に対して後処理（例えば加熱、赤外線の照射、超音波の付与等）を施すことにより形成することもできる。
【００５３】
このような液状材料を基板１２０上に供給する方法としては、例えば、ディッピング法、スピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイヤーバーコート法、ディップコート法、スプレーコート法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェット法、マイクロコンタクトプリンティング法等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの中でも、特に、インクジェット法（液滴吐出法）を用いるのが好ましい。インクジェット法（液滴吐出法）によれば、目的とする電極および配線を、容易かつ寸法精度よく形成することができる。
【００５４】
＜２＞ 次に、図５（ｂ）に示すように、開口部１６５を有する絶縁膜１６０を形成する。
この絶縁膜１６０は、例えば、有機絶縁性材料（例えばフォトポリマー）を用いて、フォトリソグラフィー法により形成することができる。また、有機絶縁性材料を液滴吐出法により、目的とする絶縁膜１６０のパターンで吐出して形成するようにしてもよい。
なお、絶縁膜１６０は、無機絶縁性材料を用いて、前記電極および配線と同様にして形成することもできる。
【００５５】
＜３＞ 次に、図５（ｃ）に示すように、作用電極１２１上に反応層１４０を形成する。ここでは、重合物３として図６に示すものを、リビング重合法を用いて形成（生成）する場合を一例に説明する。
図７〜図９は、それぞれ、反応層（重合物）の形成を説明するための模式図である。なお、以下の説明では、図７〜図９中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
【００５６】
＜３Ａ＞ まず、後述する触媒により活性化される化学結合と、作用電極１２１に化学結合する結合性基Ｘとを有する下記化合物（Ａ）を重合開始剤３７として用意する。
【００５７】
【化７】
【００５８】
ここで、作用電極１２１がＡｕ、Ａｇ、ＰｔまたはＣｕ等の金属材料、またはこれらを含む合金で構成される場合には、結合性基Ｘには、例えば、チオール基（ＳＨ基）、ジスルフィド基（−ＳＳ−基）、モノスルフィド基（−Ｓ−基）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ基）等が選択される。
一方、作用電極１２１が酸化物材料で構成される場合、結合性基Ｘには、例えば、シラノール基を生成する加水分解基であるアルコキシシリル基、ハロゲノシリル基等が選択される。
【００５９】
例えば、結合性基ＸがＳＨ基の場合、このＳＨ基を作用電極１２１の上面に反応させる。これにより、重合開始剤３７が作用電極１２１上に、金属−チオール結合（−Ｓ−）を介して結合（連結）する。
これは、例えば、上記化合物（Ａ）で表される重合開始剤３７を含む溶液を、作用電極１２１の上面に選択的に接触させること等により行うことができる。なお、この溶液を作用電極１２１の上面に選択的に接触させる方法には、各種液相成膜法が用いられるが、中でも液滴吐出法が好適に用いられる。
このような工程により、図７に示すように、重合開始剤３７が、作用電極１２１の上面に固定化（固相化）される。
【００６０】
＜３Ｂ＞ 次に、イオン捕捉部３２２を有する第１のモノマーを用意する。
この第１のモノマーが有する重合基としては、例えば、（メタ）アクリロイル基、ビニル基、スチリル基のような炭素−炭素２重結合を含むもの、ノルボルニル基、エポキシ基、オキセタニル基等の開環反応を生起するもの等が挙げられるが、比較的重合活性が高く、安価という点等では、（メタ）アクリロイル基を含むモノマーを用いることが好ましい。
この第１のモノマーの具体例としては、例えば、下記化学式（Ｂ）で表される化合物等が挙げられる。
【００６１】
【化８】
［式中、Ｔｒａｐは、イオン捕捉部３２２を表す。また、Ｒ１は、水素原子またはメチル基を、Ｒ２は、メチレン基またはエチレン基をそれぞれ表す。］
【００６２】
これらのうち、例えば、イオン捕捉部３２２を含む前記化学式（Ｂ）で表される化合物は、例えば、以下に示すようにして合成することができる。
まず、ジクロロメタン（ＤＣＭ）中にイオン捕捉部３２２（イオノフォア）を溶解した後、Ｎａ２Ｆｅ（ＣＯ）４を添加して混合した後、酸素ガスを供給することにより、イオン捕捉部３２２の一部に水酸基を導入する。
このとき、イオン捕捉部３２２に水酸基を導入する際の反応条件としては、反応温度を０℃とし、反応時間を３０分間とする。
【００６３】
次に、水酸基が導入されたイオン捕捉部３２２を、ジエチルエーテルまたはテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）等のエーテル中に溶解する。そして、これにより得られる溶液中に、ピリジン、トリメチルアミンまたはジメチルアミン等の塩基性触媒を添加し、その後、置換または無置換の塩化アクリロイルを添加することにより、イオン捕捉部３２２の末端に置換または無置換のアクリロイル基を導入する。
以上のようにして、イオン捕捉部３２２を含む前記化学式（Ｂ）で表される化合物（第１のモノマー）が得られる。
【００６４】
［３Ｃ］ 次に、電子移動補助部３４２を有する第２のモノマーを用意する。
この第２のモノマーが有する重合基としては、前記第１のモノマーと同様の理由から、（メタ）アクリロイル基を含むものが好ましい。
この第３のモノマーの具体例としては、例えば、下記化学式（Ｃ）で表される化合物等が挙げられる。
【００６５】
【化９】
［式中、Ｍｅｄｉは、電子移動補助部３４２を表す。また、Ｒ３は、水素原子またはメチル基を、Ｒ４は、メチレン基またはエチレン基をそれぞれ表す。］
【００６６】
これらのうち、例えば、電子移動補助部３４２を含む前記化学式（Ｃ）で表される化合物は、Ｔｒａｐ（イオン捕捉部３２２）に代えてＭｅｄｉ（電子移動補助部３４２）を用意する以外は、イオン捕捉部３２２を含む前記化学式（Ｂ）で表される化合物と同様にして合成することができる。
【００６７】
［３Ｄ］ 次に、作用電極１２１の上面に固定化された重合開始剤３７（前記化学式（Ａ）で表される化合物）を基点として、第１のモノマーおよび第２のモノマーを、交互またはランダムにリビング重合（特に、原子移動ラジカル重合：ＡＴＲＰ）により重合させて重合物３を合成する。
このリビング重合は、触媒を含む溶液を、例えば、開口部１６５内に供給した後、この溶液に、第１のモノマーおよび第２のモノマーを同時にまたは順次に添加すること等により行うことができる。
【００６８】
触媒には、重合体の生長過程において、生長末端を活性化とすることができるものであればよく、例えば、遷移金属のハロゲン化物、水酸化物、酸化物、アルコキシド、シアン化物、シアン酸塩、チオシアン酸塩、アジド化物等が挙げられるが、ビピリジル、ホスフィン、一酸化炭素等の遷移金属の配位子として一般的なものを有する遷移金属錯体でもよい。これらのうち遷移金属のハロゲン化物を主成分とするものが好適である。遷移金属のハロゲン化物を主成分とする触媒は、リビング重合に適したものであることから好ましい。また、比較的安価かつ入手が容易であり、また取り扱いが容易であることからも好ましい。
また、遷移金属としては、例えば、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｕ、Ａｇ、Ｈｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｒｕ、Ｍｏ、ＮｂおよびＺｎ等が挙げられる。
【００６９】
重合物３の合成の反応場として用いる溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、ブタノールのようなアルコール類、ｏ−ジクロロベンゼンのようなハロゲン化芳香族炭化水素類、ジエチルエーテルやテトラヒドロフラン等のエーテル類が挙げられる。
重合開始剤３７および触媒の存在下で、第１のモノマーを作用させることにより、まず重合開始剤３７に含まれる結合が触媒により活性化され、第１のモノマーと化合し、重合開始剤３７の、触媒により活性化された結合に含まれる原子が第１のモノマー側に移動し、触媒により活性化される結合が生長末端として再生する。
【００７０】
例えば、第１のモノマーとして前記化学式（Ｂ）で表される化合物を用い、触媒としてＣｕＢｒを用いることにより、図８に示すように、重合開始剤３７に第１のモノマーが化合するとともに、先端部（上端部）に生長末端が形成される。
また、前記溶液に第２のモノマーを添加すると、前述したのと同様にして、第１のモノマーに第２のモノマーが化合する。
例えば、第２のモノマーとして前記化学式（Ｃ）で表される化合物を用いることにより、図９に示すように、第１のモノマーに第２のモノマーが化合するとともに、先端部（上端部）に生長末端が形成される。
【００７１】
ここで、リビング重合では、重合物３の生長過程において、生長末端が常に重合活性を有するため、モノマーが消費され、重合反応が停止した後、新たにモノマーを加えると重合反応がさらに進行する。
したがって、反応系に供給するモノマーの量を変化させることによって、重合部３中のイオン捕捉部３２２と電子移動補助部３４２との数を精度よく制御することができる。これにより、所望の分子構造を有する重合物３を作用電極１２１の上面に、簡単な工程で形成することができる。また、得られる重合物３同士の間における特性のバラツキを抑えることができる。
【００７２】
前記溶液（反応液）は、重合反応を開始する前に、脱酸素処理を行っておくのが好ましい。脱酸素処理としては、例えば、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガスによる真空脱気後の置換やパージ処理等が挙げられる。
また、重合反応に際して、上記の溶液の温度を所定の温度（各モノマーおよび触媒が活性化する温度）まで加熱（加温）することにより、各モノマーの重合反応をより迅速かつ確実に行うことができる。
【００７３】
この加熱の温度は、イオン捕捉部３２２および電子移動補助部３４２の耐熱温度や触媒の種類等によっても若干異なり、特に限定されないが、２０〜５０℃程度であるのが好ましい。また、加熱の時間（反応時間）は、加熱の温度を前記範囲とする場合、１０〜２０時間程度であるのが好ましい。
以上の工程により、図１に示す検出素子１００が得られる。
【００７４】
次に、このような検出素子１００の使用方法、すなわち、被検体中のターゲット４の量を検出する方法について説明する。なお、ここでは、ターゲット４がイオンである場合を一例に説明する。
＜Ｉ＞ まず、評価に供する被検体液１５１、すなわち、ターゲット４を含有する被検体液１５１を調製する。
【００７５】
＜II＞ 次に、検出素子１００を用意し、各検出部（ウェル）１１０内に、被検体液１５１を注入（供給）する。
各検出部１１０内に被検体液１５１を供給すると、被検体液１５１中にターゲット（イオン）４が含まれている場合には、図４（ｂ）に示すように、このターゲット４がイオン捕捉部３２２に捕捉される。
【００７６】
＜III＞ 次に、この状態で、作用電極１２１から取り出される電流値を検出（測定）する。これにより、被検体液１５１中（すなわち、被検体中）に、対象とするイオンが存在するか否か、さらには、例えば予め測定された検量線やテーブルに基づいてイオンの量を求めることができる。
また、各イオン捕捉部３２２は、一般的に、単一のイオンを特異的に捕捉するものは極めて少ない。そこで、一般的なイオン捕捉部３２２を用いつつも、次のような手法により、被検体液１５１中の単一のイオンの量を検出することができる。
【００７７】
図１０は、単一のイオンの量を検出する方法を説明するための図である。なお、図１０中の「○」は、イオンが検出されたことを示し、「×」は、イオンが検出されていないことを示す。また、イオン径は、Ａ＜Ｂ＜Ｃであるものとして説明する。
また、図１０に示す例では、右に向かって順に環状構造の内側空間が大きくなり、下に向かって順に環状構造の柔軟性が低下するように、各検出部１１０ａ〜１１０ｉにおいて、反応層１４０が備えるイオン捕捉部３２２（イオノフォア）の種類が異なっている。
【００７８】
まず、イオンを含まないサンプルを用いると、図１０（ａ）に示すように、全ての検出部１１０ａ〜１１０ｉにおいて「×」となる。
また、Ａイオン、Ｂイオン、Ｃイオンのうちの少なくとも１つを含むサンプルを用いると、図１０（ｂ）〜図１０（ｈ）に示すように、特定の検出部が「○」となる。
例えば、Ａイオンのみ含むサンプルを用いると、検出部１１０ａ〜１１０ｄおよび１１０ｆにおいて「○」となる。
【００７９】
実際の被検体液１５１において、図１０（ｅ）のパターンが検出されれば、この被検体液１５１中には、ＡイオンおよびＢイオンが存在することが判る。そして、Ａイオンの量を検出するためには、Ａイオンのみを含むサンプルで「○」となっており、Ｂイオンのみを含むサンプルで「○」となっていない検出部、具体的には、検出部１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｆにおいて検出された電流値に基づいて、Ａイオンの量を求めるようにすればよい。一方、Ｂイオンの量を求める際には、検出部１１０ｅおよび１１０ｈにおいて検出された電流値に基づいて、Ｂイオンの量を求めるようにすればよい。
【００８０】
＜第２実施形態＞
次に、検出素子の第２実施形態について説明する。
以下、第２実施形態の検出素子について説明するが、前記第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１１は、第２実施形態の検出素子が有する検出部を示す縦断面図である。なお、以下では、図１１中の上側を「上」、下側を「下」として説明する。
【００８１】
図１１に示す検出素子１００Ａは、半導体基板１２０Ａと、各検出部１１０Ａを分離するトレンチ素子分離構造１１１Ａとを有している。
また、半導体基板１２０Ａの一方の面には、トレンチ素子分離構造１１１Ａの内側に、互いに離間したソース領域１３１Ａおよびドレイン領域１３２Ａとが設けられている。
ソース領域１３１Ａに接触するように、ソース電極１４１Ａが、ドレイン領域１３２Ａに接触するように、ドレイン電極１４２Ａがそれぞれ設けられている。
【００８２】
また、ソース領域１３１Ａおよびドレイン領域１３２Ａに接触するように、ゲート絶縁膜１３３Ａが設けられている。
そして、ソース電極１４１Ａ、ドレイン電極１４２Ａおよびゲート絶縁膜１３３Ａを覆うように、絶縁膜１５０Ａが設けられている。
また、ゲート絶縁膜１３３Ａに対応する開口部１６５Ａを有する絶縁膜１６０Ａが設けられている。
そして、開口部１６５Ａ内の絶縁膜（基部）１５０Ａの上面には、反応層１４０Ａが設けられている。
【００８３】
半導体基板１２０Ａは、例えば、シリコン等のｐ型半導体材料で構成されている。この場合、ソース領域１３１Ａおよびドレイン領域１３２Ａには、例えば、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）等のｎ型不純物が注入される。
ソース電極１４１Ａおよびドレイン電極１４２Ａは、それぞれ、例えば、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔのような金属またはこれらを含む合金等の導電性材料で構成されている。
また、ゲート絶縁膜１３３Ａおよび絶縁膜１５０Ａは、それぞれ、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４等の絶縁材料で構成されている。
【００８４】
絶縁膜１６０Ａおよび反応層１４０Ａは、それぞれ、前記第１実施形態の絶縁膜１６０および反応層１４０と同様の構成とすることができ、前記第１実施形態と同様にして形成することができる。
ここで、絶縁膜１５０ＡをＳｉ３Ｎ４で構成する場合、その上面には、酸化処理を施すようにする。これにより、絶縁膜１５０Ａの上面をＳｉＯ２とすることができる。このため、結合性基Ｘとしてシラノール基が生成する加水分解基等を有する重合開始剤３７を用いることにより、絶縁膜１５０Ａの上面に結合した重合物３を形成（合成）することができる。
【００８５】
このような検出素子１００Ａでは、検出部１１０Ａに被検体液１５１を供給すると、被検体液１５１中にイオンや塩が存在する場合、これらがイオン捕捉部３３２に捕捉される。これにより、捕捉されたイオンの種類や量に応じて、ゲート絶縁膜１３３Ａの上面に励起されるキャリア量（濃度）が変化する。その結果、ソース電極１４１Ａとドレイン電極１４２Ａとの間に流れる電流値、すなわち、ドレイン電極１４２Ａから取り出すことができる電流値が変化する。
【００８６】
＜第３実施形態＞
次に、検出素子の第３実施形態について説明する。
以下、第３実施形態の検出素子について説明するが、前記第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１２は、第３実施形態の検出素子が有する検出部の平面図、図１３は、図１２中のＢ−Ｂ線断面図である。なお、以下では、図１２中の上側を「上」、下側を「下」として説明する。
【００８７】
第３実施形態の検出素子１００Ｂは、非捕捉状態と捕捉状態との違いを、反応層１４０の電気的な特性の変化に基づいて検出するのに代えて、反応層１４０Ｂの質量変化に基づいて検出するよう構成した以外は、前記第１実施形態の検出素子１００と同様である。
すなわち、図１２および図１３に示す検出素子１００Ｂは、各検出部１１０Ｂに圧電素子１３０Ｂが設けられている。
【００８８】
圧電素子１３０Ｂは、平板状の圧電体１３１Ｂと、その両側の面にそれぞれ設けられた上電極１３２Ｂ、下電極１３３Ｂとで構成されている。各電極１３２Ｂ、１３３Ｂは、それぞれ独立して、配線１４２Ｂ、配線１４３Ｂを介して、処理回路２００と電気的に接続されている。
また、基板１２０Ｂには、凹部１２１Ｂが設けられている。この凹部１２１Ｂに下電極１３３Ｂ（および上電極１３２Ｂ）が対応するように、圧電体１３１Ｂの縁部が基板１２０Ｂに固定（固着）されている。
【００８９】
各電極１３２Ｂおよび１３３Ｂの構成材料としては、それぞれ、前記作用電極１２１と同様の材料を用いることができる。
圧電体１３１Ｂの材料としては、例えば、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびホウ酸リチウム等の圧電材料を用いることができる。なお、これらの材料は、単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて（例えば、積層体として）用いることができる。
【００９０】
また、絶縁膜１６０Ｂは、開口部１６５Ｂを有し、この開口部１６５Ｂから上電極１３２Ｂが露出している。
そして、上電極１３２Ｂの上面には、反応層１４０Ｂが設けられている。
絶縁膜１６０Ｂおよび反応層１４０Ｂは、それぞれ、前記第１実施形態の絶縁膜１６０および反応層１４０と同様の構成とすることができ、前記第１実施形態と同様にして形成することができる。
【００９１】
このような検出素子１００Ｂでは、検出部１１０Ｂに被検体液１５１を供給すると、被検体液１５１中にイオンや塩が存在する場合、これらがイオン捕捉部３３２に捕捉される。これにより、捕捉されたイオンの種類や量に応じて、反応層１４０Ｂの質量に変化が生じ、これに起因して、圧電素子１３０Ｂから検出される振動数も変化する。この変化を検出することにより、被検体中のターゲット４の量を検出（測定）することができる。
【００９２】
＜第４実施形態＞
次に、検出素子の第４実施形態について説明する。
以下、第４実施形態の検出素子について説明するが、前記第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１４は、第４実施形態の検出素子が有する検出部を示す縦断面図、図１５は、図１４に示す検出素子が適用される測定装置の構成を示す模式図（斜視図）である。なお、以下では、図１４および図１５中の上側を「上」、下側を「下」として説明する。
【００９３】
第４実施形態の検出素子１００Ｃは、非捕捉状態と捕捉状態との違いを、反応層１４０の電気的な特性の変化に基づいて検出するのに代えて、反応層１４０Ｃの屈折率の変化に基づいて検出するよう構成した以外は、前記第１実施形態の検出素子１００と同様である。
すなわち、図１４に示す検出素子１００Ｃは、金属基板１２０Ｃと、開口部１６５Ｃを有する絶縁膜１６０Ｃと、金属基板１２０Ｃの絶縁膜１６０Ｃ（開口部１６５Ｃ）から露出する上面に設けられた反応層１４０Ｃとを有している。そして、反応層１４０Ｃの膜厚（重合物３の長さ）が変化することに起因する反応層１４０Ｃの変化に基づいて、被検体（被検体液１５１）中のターゲット４の量を検出し得るよう構成されている。
金属基板１２０Ｃの構成材料としては、前記作用電極１２１と同様の材料を用いることができる。
【００９４】
また、絶縁膜１６０Ｃは、開口部１６５Ｃを有し、この開口部１６５Ｃから反応層１４０Ｃが露出している。
絶縁膜１６０Ｃおよび反応層１４０Ｃは、それぞれ、前記第１実施形態の絶縁膜１６０および反応層１４０と同様の構成とすることができ、前記第１実施形態と同様にして形成することができる。
【００９５】
このような検出素子１００Ｃの測定に用いる測定装置１０１Ｃは、検出素子１００Ｃを載置・固定する載置部１０２Ｃと、検出素子１００Ｃの上面に配置されるプリズム（光路変更手段）１０３Ｃと、検出素子１００Ｃに光を照射する投光手段（照射手段）１０４Ｃと、検出素子１００Ｃからの光を受光する受光手段１０５Ｃと、受光手段１０５Ｃで得られたデータ（例えば、画像データ）を解析する処理回路２００を備えた演算装置２１０と、処理回路２００と受光手段１０５Ｃとを接続する配線１３２とを有する。
【００９６】
また、投光手段１０４Ｃは、光源１０４１と、凸曲面同士を対向配置した一対の平凸レンズ１０４２、１０４３と、これらのレンズに対して光源１０４１と反対側に設けられたピンホール板１０４４と、ピンホール板１０４４を透過した光を平行光にする平凸レンズ１０４５と、ｐ偏光光を選択的に透過する偏光フィルタ１０４６とを有している。
一方、受光手段１０５Ｃは、配線１３２を介して演算装置２１０に接続されたＣＣＤカメラ１０５１と、検出素子１００Ｃからの光をＣＣＤカメラ１０５１に導くための導光手段（レンズ系）１０５２と、導光手段１０５２のＣＣＤカメラ１０５１と反対側に設けられた干渉フィルタ１０５３とを有している。
【００９７】
また、投光手段１０４Ｃおよび受光手段１０５Ｃは、それぞれ、図１５に示すように、検出素子１００Ｃ（プリズム１０３Ｃ）に対して回動し得るように設けられている。これにより、投光手段１０４Ｃからの任意の角度の光を受光手段１０５Ｃに受光し得るよう構成されている。
このような検出素子１００Ｃおよび測定装置１０１Ｃでは、表面プラズモン共鳴（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＳＰＲ）を利用して、被検体液１５１中のターゲット４の量を検出（測定）することができる。これは、次のような原理に基づくものである。
【００９８】
すなわち、投光手段１０４Ｃから発せられた光は、プリズム１０３Ｃと反応層１４０Ｃとの界面でエバネッセント波が生じ、その波数は次式により定義される。
ｋｅｖ＝ｋｐ・ｎｐ・ｓｉｎθ
ここで、ｋｐは入射光の波数、ｎｐはプリズム１０３Ｃの屈折率、θは入射角である。
一方、金属基板１２０Ｃの表面（反応層１４０Ｃとの界面）では、表面プラズモン波が生じ、その波数は次式により定義される。
ｋｓｐ＝（ｃ／ω）・√（εｎ２／（ε＋ｎ２））
ここで、ｃは光速、ωは角振動数、εは金属基板１２０Ｃの誘電率、ｎは反応層１４０Ｃの屈折率である。
【００９９】
このエバネッセント波と表面プラズモン波の波数が一致する入射角θのとき、エバネッセント波は、表面プラズモンの励起に使われ、例えば、図１６に示すように、反射光として観測される光量が減少する。
ＳＰＲ現象は、プリズム１０３Ｃおよび金属基板１２０Ｃに接した反応層１４０Ｃの屈折率に依存する。このため、例えば、反応層１４０Ｃの膜厚変化に基づく、反応層１４０Ｃの屈折率変化を測定することにより、反応層１４０Ｃ（重合物３）に捕捉されたターゲット４の検出（例えば定量）を行うことができる。
また、測定装置１０１Ｃを、図１５に示すような構成とすることにより、複数の検出部１１０Ｃを一括して検出することができる。
【０１００】
以上、本発明の検出素子を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものでない。
例えば、本発明の検出素子では、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】第１実施形態の検出素子を測定装置に装着した状態を示す模式図（斜視図）である。
【図２】図１に示す検出素子の一部を拡大して示す平面図である。
【図３】図２に示す検出素子のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図３に示すＡ−Ａ線断面図の部分拡大図である。
【図５】図１に示す検出素子の製造方法を説明するための図（縦断面図）である。
【図６】重合物の一例を示す模式図である。
【図７】反応層（重合物）の形成を説明するための模式図である。
【図８】反応層（重合物）の形成を説明するための模式図である。
【図９】反応層（重合物）の形成を説明するための模式図である。
【図１０】単一のイオンの量を検出する方法を説明するための図である。
【図１１】第２実施形態の検出素子が有する検出部を示す縦断面図である。
【図１２】第３実施形態の検出素子が有する検出部の平面図である。
【図１３】図１２中のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１４】第４実施形態の検出素子が有する検出部を示す縦断面図である。
【図１５】図１４に示す検出素子が適用される測定装置の構成を示す模式図（斜視図）である。
【図１６】図１５に示す測定装置で観測される光量の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０２】
１００……検出素子 １１０、１１０ａ〜１１０ｉ……検出部 １２０……基板 １２１……作用電極 １２２……対向電極 １２３……参照電極 １４０……反応層 １５１……被検体液 １６０……絶縁膜 １６５……開口部 １００Ａ……検出素子 １１０Ａ……検出部 １１１Ａ……トレンチ素子分離構造 １２０Ａ……半導体基板 １３１Ａ……ソース領域 １３２Ａ……ドレイン領域 １３３Ａ……ゲート絶縁膜 １４０Ａ……反応層 １４１Ａ……ソース電極 １４２Ａ……ドレイン電極 １５０Ａ……絶縁膜 １６０Ａ……絶縁膜 １６５Ａ……開口部 １００Ｂ……検出素子 １１０Ｂ……検出部 １２０Ｂ……基板 １２１Ｂ……凹部 １３０Ｂ……圧電素子 １３１Ｂ……圧電体 １３２Ｂ……上電極 １３３Ｂ……下電極 １４０Ｂ……反応層 １４２Ｂ……配線 １４３Ｂ……配線 １６０Ｂ……絶縁膜 １６５Ｂ……開口部 １００Ｃ……検出素子 １１０Ｃ……検出部 １２０Ｃ……金属基板 １４０Ｃ……反応層 １６０Ｃ……絶縁膜 １６５Ｃ……開口部 １０１……測定装置 １３０……配線 １３１……コネクタ １３２……配線 ２００……処理回路 ２１０……演算装置 １０１Ｃ……測定装置 １０２Ｃ……載置部 １０３Ｃ……プリズム １０４Ｃ……投光手段 １０４１……光源 １０４２……平凸レンズ １０４３……平凸レンズ １０４４……ピンホール板 １０４５……平凸レンズ １０４６……偏光フィルタ １０５Ｃ……受光手段 １０５１……ＣＣＤカメラ １０５２……導光手段 １０５３……干渉フィルタ ３……重合物 ３１……主鎖 ３２１……第１の連結体 ３２２……イオン捕捉部 ３２３……第１の側鎖 ３４３……第２の側鎖 ３４１……第２の連結体 ３４２……電子移動補助部 ３７……重合開始剤 ４……ターゲット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体中の塩またはイオンを検出可能な検出部を有する検出素子であって、
前記検出部は、基部と、該基部上に設けられた反応層とを有し、
前記反応層は、前記基部に一端部が連結する主鎖と、該主鎖から分岐し、前記塩を構成するイオンまたは前記イオンを捕捉可能なイオン捕捉部を含む側鎖とを有する重合物を備えることを特徴とする検出素子。
【請求項２】
前記イオン捕捉部は、環状構造を有し、前記イオンの種類および／またはイオン径の違いに基づいて、前記環状構造内に前記イオンを捕捉する機能を有する請求項１に記載の検出素子。
【請求項３】
前記環状構造は、酸素原子、窒素原子および硫黄原子のうちの少なくとも１種を含む請求項２に記載の検出素子。
【請求項４】
前記イオン捕捉部は、さらに、前記環状構造内に捕捉された前記イオンに配位する配位構造を有する請求項２または３に記載の検出素子。
【請求項５】
前記配位構造は、前記環状構造と前記主鎖との間に位置する請求項４に記載の検出素子。
【請求項６】
前記イオン検出部を複数有する請求項１ないし５のいずれかに記載の検出素子。
【請求項７】
前記イオン検出部を複数有し、
複数の前記イオン検出部は、異なる種類の前記環状構造を備える請求項２ないし５のいずれかに記載の検出素子。
【請求項８】
当該イオン検出素子は、前記重合物が前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉していない非捕捉状態と、前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉した捕捉状態との違いを、前記反応層の電気的な特性の変化に基づいて検出するよう構成されている請求項１ないし７のいずれかに記載の検出素子。
【請求項９】
前記重合物は、電子の移動を補助する電子移動補助部を有する請求項８に記載の検出素子。
【請求項１０】
前記重合物は、前記電子移動補助部を前記主鎖から分岐する側鎖に有する請求項９に記載の検出素子。
【請求項１１】
当該イオン検出素子は、前記重合物が前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉していない非捕捉状態と、前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉した捕捉状態との違いを、前記反応層の質量変化に基づいて検出するよう構成されている請求項１ないし７のいずれかに記載の検出素子。
【請求項１２】
当該イオン検出素子は、前記重合物が前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉していない非捕捉状態と、前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉した捕捉状態との違いを、前記反応層の屈折率の変化に基づいて検出するよう構成されている請求項１ないし７のいずれかに記載の検出素子。
【請求項１】
被検体中の塩またはイオンを検出可能な検出部を有する検出素子であって、
前記検出部は、基部と、該基部上に設けられた反応層とを有し、
前記反応層は、前記基部に一端部が連結する主鎖と、該主鎖から分岐し、前記塩を構成するイオンまたは前記イオンを捕捉可能なイオン捕捉部を含む側鎖とを有する重合物を備えることを特徴とする検出素子。
【請求項２】
前記イオン捕捉部は、環状構造を有し、前記イオンの種類および／またはイオン径の違いに基づいて、前記環状構造内に前記イオンを捕捉する機能を有する請求項１に記載の検出素子。
【請求項３】
前記環状構造は、酸素原子、窒素原子および硫黄原子のうちの少なくとも１種を含む請求項２に記載の検出素子。
【請求項４】
前記イオン捕捉部は、さらに、前記環状構造内に捕捉された前記イオンに配位する配位構造を有する請求項２または３に記載の検出素子。
【請求項５】
前記配位構造は、前記環状構造と前記主鎖との間に位置する請求項４に記載の検出素子。
【請求項６】
前記イオン検出部を複数有する請求項１ないし５のいずれかに記載の検出素子。
【請求項７】
前記イオン検出部を複数有し、
複数の前記イオン検出部は、異なる種類の前記環状構造を備える請求項２ないし５のいずれかに記載の検出素子。
【請求項８】
当該イオン検出素子は、前記重合物が前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉していない非捕捉状態と、前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉した捕捉状態との違いを、前記反応層の電気的な特性の変化に基づいて検出するよう構成されている請求項１ないし７のいずれかに記載の検出素子。
【請求項９】
前記重合物は、電子の移動を補助する電子移動補助部を有する請求項８に記載の検出素子。
【請求項１０】
前記重合物は、前記電子移動補助部を前記主鎖から分岐する側鎖に有する請求項９に記載の検出素子。
【請求項１１】
当該イオン検出素子は、前記重合物が前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉していない非捕捉状態と、前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉した捕捉状態との違いを、前記反応層の質量変化に基づいて検出するよう構成されている請求項１ないし７のいずれかに記載の検出素子。
【請求項１２】
当該イオン検出素子は、前記重合物が前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉していない非捕捉状態と、前記イオンを前記イオン捕捉部に捕捉した捕捉状態との違いを、前記反応層の屈折率の変化に基づいて検出するよう構成されている請求項１ないし７のいずれかに記載の検出素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００８−１９１０５８（Ｐ２００８−１９１０５８Ａ）
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７３６１（Ｐ２００７−２７３６１）
【出願日】平成１９年２月６日（２００７．２．６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【公開日】平成２０年８月２１日（２００８．８．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月６日（２００７．２．６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
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