溶液成分センサとその製造方法
【課題】構造が簡単でシステム全体を小型化することができ、しかも既存の半導体製造技術を利用して製造することができるとともに、量産性に優れ、検体液中に含まれる１ｐｐｍ程度のイオン、糖、脂質、抗体、抗原等の成分の濃度を極短時間で精度よく計測可能な信頼性、作業性に優れた溶液成分センサの提供を目的とする。
【解決手段】本発明の溶液成分センサ１は、基板２と、前記基板上に所定間隔をおいて配置された電極対３と、前記電極対の表面及び前記電極対３間の前記基板２の表面を被覆した絶縁膜５と、を有し、前記絶縁膜５がフラーレン又はフラーレン誘導体を含有している
【解決手段】本発明の溶液成分センサ１は、基板２と、前記基板上に所定間隔をおいて配置された電極対３と、前記電極対の表面及び前記電極対３間の前記基板２の表面を被覆した絶縁膜５と、を有し、前記絶縁膜５がフラーレン又はフラーレン誘導体を含有している
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検体液中に含まれるイオン、糖、脂質、抗体、抗抗体、抗原等の種々の成分の濃度を電圧変化又は電流変化に基づいて検知することができる溶液成分センサとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロマシン技術の一種として、微量液体の分析、反応、ならびに分離操作に利用する流体マイクロシステム（ｆｌｕｉｄ ＭＥＭＳ：ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）が知られている。
流体マイクロシステムはマイクロポンプ、ミキサ、バルブ、リアクタ、セパレータ、センサなどの各要素を基板（チップを含む）上に実装し、パッケージ化したものであり、ポストゲノム研究およびプロテオーム研究の発展に欠かせないツールとして期待されている。
このような流体マイクロシステムにおける検体液の濃度を計測する手段として、例えば（特許文献１）には、「基板と、前記基板上に所定間隔をおいて配置された電極対と、前記電極対の表面及び前記電極対間の前記基板の表面を被覆し血液、リンパ液、細胞質基質などの体液を含む検体液と接触する絶縁膜と、を備えていることを特徴とする酸化ストレス物質検知センサ」が開示されている。この方法では検体液中に含まれる１ｐｐｍ程度の極微量の一酸化窒素などの特定の成分を極短時間で精度よく検知できるが、選択性が乏しいため、特定成分の有無や濃度の検知が困難であった。そのため、特定成分の有無や濃度の検知ができる選択性の付与が要望されていた。
【０００３】
また、本発明者は、構造が簡単でシステム全体を小型化することができるとともに、既存の半導体製造技術を利用して製造することができるので新たな設備を要さず量産性に優れ、複数成分が混合した検体液中の特定成分の有無等を短時間で精度よく検知することができる選択性のあるセンサの提供を目的として鋭意研究の結果、「基板と、前記基板上に所定間隔をおいて配置された電極対と、前記電極対の表面及び前記電極対間の前記基板の表面を被覆し感応物質を分散保持した絶縁膜と、を備えた溶液成分センサ」を完成し、特許出願した（特許文献２、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２７１２８７号公報
【特許文献２】特開２００８−１３４１０５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】”Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ: Ｃｈｅｍｉｃａｌ”（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ），Ｖｏｌｕｍｅ １２９，Ｐａｇｅｓ９５８-９７０，Ｔ．Ｉｓｏｄａ ｅｔ ａｌ．（２２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の技術においては、以下のような課題を有していた。
（１）（特許文献１）の酸化ストレス物質検知センサは、本願出願人らが出願したものであり、検体液中に含まれる１ｐｐｍ程度の極微量の一酸化窒素などの特定の成分を極短時間で精度よく検知できる。しかし半導体製造方法で、基板上にこれらのセンサを複数配置させ、これを同時に測定する場合、絶縁膜の性状を一定に成膜することが難しく、その結果各々のセンサの検出電圧のバラツキが大きくなり再現性の改善が望まれていた。
（２）（特許文献２）の溶液成分センサも、本願出願人らが出願したものであり、絶縁膜に感応物質を分散保持させることにより、複数成分が混在した検体液中の１ｐｐｍ程度の極微量の無機イオンや抗体あるいは抗原等の特定の成分を極短時間で精度よく検知できる。しかし、基板上にセンサを複数配置させ、同濃度の検体液を同時に測定する場合、検出感度が高いために溶液成分センサ自身の絶縁膜のわずかな歪みや絶縁膜の厚さに起因する誘電率のバラツキなども検出してしまい、その結果検出電圧の精度が低くなるという問題を生じた。さらに各センサ毎に異なる濃度の検体液を測定した場合、この誤差によって検体濃度に対する応答電圧の関係（検量線）の線形性が低下し、基板上のセンサ毎の測定値の精度の改善が望まれていた。
【０００７】
本発明は上記要望に応えるもので、構造が簡単でシステム全体を小型化することができ、しかも既存の半導体製造技術を利用して製造することができるとともに、量産性に優れ、検体液中に含まれる１ｐｐｍ程度のイオン、糖、脂質、抗体、抗原等の成分の濃度を極短時間で精度よく計測可能な信頼性、作業性に優れた溶液成分センサの提供を目的とする。
また本発明は、検出電圧のバラツキが小さく、再現性のよいデータを得ることが可能な溶液成分センサの量産性に優れた製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明の溶液成分センサとその製造方法は、以下の構成を有している。
本発明の請求項１に記載の溶液成分センサは、基板と、前記基板上に所定間隔をおいて配置された電極対と、前記電極対の表面及び前記電極対間の前記基板の表面を被覆した絶縁膜と、を有し、前記絶縁膜がフラーレン又はフラーレン誘導体を含有していること、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）フラーレン又はフラーレン誘導体が絶縁膜中に含有されていることにより、絶縁膜の誘電率が低下するとともに、絶縁膜の表面電荷が平均化され、絶縁膜の持つ部分的な歪みや厚さのバラツキに起因する検出電圧のバラツキを抑え、データの精度と再現性をさらに高める。
（２）電極の表面及び電極間の基板の表面がフラーレン又はフラーレン誘導体を含有する絶縁膜で被覆されていることにより、絶縁膜上に滴下した微量の血液、リンパ液、細胞質基質などの体液を含む検体液中に含まれる成分の量に応じて変化する絶縁膜表面の静電分極量を電極間の電圧値又は電流値として短時間で、従来法よりも精度よく、検出することができる。
（３）電極表面が絶縁膜で被覆されていることにより、絶縁膜上に検体液を滴下或いは塗布するだけで、絶縁膜と検体液の界面に電荷の分離が発生し、検体液に含まれる電解効果の大きな無機イオンあるいは抗抗体などの成分を検出することができるので、１〜１０μＬの極微量な検体液で測定を行うことができ、測定前に特別な前処理等を行う必要もないので、検体液の採取や取り扱いが容易で作業性に優れる。
（４）構造が簡単な電極対を半導体作製技術によって基板上に高密度に集積させることができ、小型化が容易で量産性に優れ、電気回路や半導体集積回路などに容易に組み込むことができ、検出した化学的な情報を電気信号として短時間で処理することができ、高度で複雑な分析が可能な検知システムを構築することもできる。
【０００９】
ここで、絶縁膜の表面に検体液を滴下或いは塗布する等して接触させると、絶縁膜と検体液の界面に電荷の分離が生じ、溶液側と絶縁膜側は等しい数の極性の異なる電荷で帯電状態になる。その結果、絶縁膜が誘導分極し、電極間と接している絶縁膜内側にも電荷が生じる。電極間に電圧を負荷させると、この電荷が電子の流れを加速するため、電極間の電流値や電圧値に変化が生じる。検体液中に含まれる無機イオンあるいは抗抗体などの成分は、この誘導分極効果が大きいため、成分濃度に比例した電流値や電圧値の変化を検出することができる。
【００１０】
基板の材質としては分析する検体液によって侵されず、基板上に電極対及び絶縁膜を形成することができ、電極対を電気的に絶縁できるものであればよく、例えば、各種の合成樹脂、ガラス、セラミックスなどが好適に用いられる。特にガラス等の透明な材質を用いた場合は、顕微鏡などによる検体液の観察も行うことができ汎用性に優れる。また、基板の形状は、矩形状、多角形状、円盤状などの種々な形状に形成することができる。
電極の素材としては、例えばＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ等の金属、ステンレス等の合金などを採用することができる。電極は、基板上に化学蒸着して形成してもよいし、あらかじめ基板上に作成した金属薄膜をドライエッチングやウエットエッチングでパターニングして形成してもよい。また、電極対の各々の電極は同種の金属を用いてもよいし、異種金属を組み合わせてもよい。尚、ガラス基板にＣｒを蒸着した上からＡｕ電極を形成することにより、Ｃｒがバインダとなって密着性を向上させることができる。
【００１１】
尚、１枚の基板上には１乃至複数の電極対を形成することがき、その配置は任意に選択することができる。また、電極対の各々の電極の形状は限定されるものではないが、三角形状、矩形状、半円形状等に形成することができる。また、電極対は非対称であっても、大きさが異なっていてもよく、辺部同士が対向するように配置される。
対向する２つの電極の辺部間の間隔は、検体液や電極の種類などにもよるが、５μm〜１０ｍｍ、好ましくは１０μm〜５ｍｍの範囲とすることが好ましい。辺部間の間隔が１０μmより狭くなるにつれ、検体液中の成分濃度に対する電流値等の電気特性の相関が小さくなり、応答感度が低下する傾向が見られ、間隔が５ｍｍより広くなるにつれ、検出感度が低下し易くなり、データの再現性に欠ける傾向が見られるためである。特に電極の辺部間の間隔が５μmより狭くなるか１０ｍｍより広くなるにつれ、信号ノイズが大きくなり、電流値や電圧値の変化を正確に検出することが困難になる傾向があり、いずれも好ましくない。
【００１２】
絶縁膜は電極の機械強度を保持するため、基板全面を被覆することが好ましいが、少なくとも電極の表面を被覆していればよい。
絶縁膜は、有機溶剤にポリ塩化ビニル，エポキシ樹脂，フェノール樹脂等を主成分とするマトリックス材料を溶解して調製した原料溶液を、電極対が形成された基板の上にスピンコート等によって塗布・乾燥して製造することができる。絶縁膜の膜厚は材質によって異なるが、検体液と電極対の間を確実に絶縁でき、センサとしての応答性を保つことができる範囲で選択する必要がある。絶縁膜の膜厚が薄くなるにつれ、絶縁膜の効果が不十分となりセンサの感度が低下する傾向があり、厚くなるにつれ、検体液中の成分濃度が変化しても電圧値や電流値に変化が見られなくなりセンサの応答性が消失する傾向があり、いずれも好ましくない。例えば、フルオロオレフィンビニルエーテール重合体(分子量分布１００〜１０００)であれば０．２μｍ〜０．８μｍが好ましい。これらの樹脂による絶縁膜の厚みが平均０．２μｍ未満であると検体液と電極対の間を確実に絶縁できない恐れがある。また、平均０．８μｍを超えるとセンサとしての応答性が下がり実用的でない。
ノボラック系フェノール樹脂(分子量分布１０００〜１００００))、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリイミド樹脂であれば、５μｍ〜２０μｍが好ましい。これらの樹脂による絶縁膜の厚みが平均５μｍ未満であると検体液と電極対の間を確実に絶縁できない恐れがある。また、平均２０μｍを超えるとセンサとしての応答性が下がり実用的でない。
【００１３】
絶縁膜を構成する樹脂にフラーレン又はフラーレン誘導体を含有させると、絶縁膜の誘電率が減少するとともに、表面電荷の分布が平均化するので、センサの絶縁膜の持つ部分的な歪みや厚さのバラツキに起因する検出電圧のバラツキを抑え、再現性よく精度の高い測定ができるようになる。
【００１４】
フラーレンは炭素原子が２０個以上結合してできた球状の閉殻構造を有するカーボンクラスター分子の総称であり、Ｃ60のほかＣ20、Ｃ70、Ｃ82、Ｃ320など様々な大きさのフラーレンが知られており、レーザー法、アーク放電法、合成法などで製造されたものが使用できる。フラーレンの種類は特に限定しないが、現在Ｃ60が最もよく流通しており利用しやすく好ましい。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の溶液成分センサであって、前記絶縁膜が感応物質を分散保持している構成を有している。
この構成により、請求項１の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）電極の表面及び電極間の基板の表面が感応物質を分散保持した絶縁膜で被覆されていることにより、絶縁膜上に滴下した微量の検体液中に含まれる特定の成分が、絶縁膜の表面の感応物質と相互作用する場合、特定の成分の有無や量に応じて電極間の電位に変化が生ずるため、これを検出することで、複数成分が混合した検体液中の特定成分の有無等を短時間で精度よく検知することができる。
（２）電極表面が絶縁膜で被覆されていることにより、絶縁膜上に検体液を滴下或いは塗布するだけで、絶縁膜と検体液の界面に電荷の分離を生じ、その静電誘導効果によって絶縁膜を構成している分子に分極が生じる。分極による電荷の量は、感応物質と相互作用する検体液の特定の成分の濃度に大きく依存し電気的に検知できるので、１〜１０μＬの極微量な検体液で測定を行うことができ、測定前に特別な前処理等を行う必要もないので、検体液の採取や取り扱いが容易で作業性に優れる。
【００１６】
ここで、絶縁膜の表面に検体液を滴下或いは塗布する等して接触させると、絶縁膜と検体液の界面に電荷の分離が生じ、電気二重層を形成し、溶液側と絶縁膜側は等しい数の極性の異なる電荷で帯電状態になる。その結果、絶縁膜が誘導分極し、電極間と接している絶縁膜内側にも電荷が生じる。この電荷の量は感応物質と相互作用する検体液の特定の成分の濃度に依存するので、電極間に電圧を負荷するか電流を流すと、電極間の電流値や電圧値に変化が生じる。これを検知することで検体液中に含まれる特定の成分の有無や濃度を検知することができる。
また、シリカゲル，チタニア，アルミナ，硫化カドミウム，酸化鉛等の無機多孔質担体あるいは微粒子担体、ゼオライト，モンモリロナイト等の合成あるいは天然鉱物粒子、カーボンブラック，活性炭，炭素繊維，カーボンナノチューブ等の炭素材料を主成分とした多孔質担体あるいは微粒子担体、金，銀，銅，白金，パラジウム，鉄，コバルト，ニッケル等の金属微粒子あるいはコロイド分散液、ポリスチレン，ポリプロピレン，ポリエチレン，木材，紙，布等の有機高分子材料からなる多孔質担体あるいは微粒子担体等に感応物質を担持させ、該有機剤に多孔体を分散させフラーレンまたはフラーレン誘導体の微粒子を分散させた原料溶液を、電極対が形成された基板の上にスピンコート等によって塗布・乾燥して製造することができる。さらに前記多孔質担体とフラーレンまたはフラーレン誘導体の微粒子を予め分散させた原料用液を、電極対が形成された基板の上にスピンコート等によって塗布・乾燥させ、その膜表面に感応物質を溶解させた溶液を滴下させることで、感応物質をセンサ上に吸着担持させることができる。
【００１７】
感応物質としては、検体液の特定成分と相互作用を生じるものであれば特に制限なく用いることができ、錯体形成化合物、ホスト化合物、酵素、抗体、抗原、カロチン、ポリフェノール等の活性酸素スカベンジャー類、タンパク質、ＤＮＡ、ＲＮＡ、糖鎖、糖脂質等を用いることができる。
錯体形成化合物としては、例えば、金属イオンと錯体を形成するポルフィリン類，ＥＤＴＡ(エチレンジアミン三酢酸)ならびにその誘導体，ＮＴＡ(ニトリロ三酢酸)ならびにその誘導体等に代表される金属キレーター類、Bis(benzo-15-crown-5)，Bis(12-crown-4)， Dibenzyl-bis(12-crown-4)等カリウム，ナトリウム，カルシウム，リチウム等の金属イオンと錯体を形成するクラウンエーテル誘導体、酸化ストレス物質と関連し体内で発生する一酸化窒素と錯体を形成するＤＴＣＳ Ｎａ（N-(Dithocarboxy)sarcosine, disodium salt, dihydrate）の鉄錯体やＭＧＤ（N-(Dithocarbamoyl)-N-metyl-D-glucamine, disodium salt）の鉄錯体等が用いられる。
ホスト化合物としては、例えば、バリノマイシン，モネンシン，ラサロシド，サリノマイシン等のイオノフォア抗生物質、シクロデキストリン、カリックスアレーン等のゲストと包接化合物を形成する各種ホスト化合物、ビオチン分子と選択的に結合するアビジン等の抗体蛋白質、ＤＮＡやＲＮＡの塩基配列に補完的に水素結合するＤＮＡ断片、ＲＮＡ断片ならびに糖鎖が用いられる。さらに構造中にマクロポアあるいはミクロポアを持つゼオライト類，アルミナ，チタニア，シリカ等の合成段階の前駆体溶液に、界面活性剤ミセルや有機微粒子を混入させ、過熱・固体化段階でこれを分解させ、その混入粒子のサイズによって微細孔を形成させる等の分子鋳型手法で調整した無機材料、活性炭類，カーボンナノチューブ類を用い、その分子篩効果を利用して細孔サイズ以下の分子のみを選択的に吸着させるホスト機能を有する材料でもよい。
酵素としては、アルコールオキシダーゼ，ＬＤＨ，Ｇ−６−ＰＤＨ，ＧＯＤ，ウリカーゼ，カタラーゼ，ペルオキシダーゼ等の酸化還元酵素、ＧＯＴ，ＧＰＴ，ＣＰＫ等の転移酵素、リパーゼ，アミラーゼ，キモトリプシン，トロンビン，ウレアーゼ，アルギナーゼ，コレステロールエステラーゼ等の加水分解酵素、アルドラーゼ等の分解酵素、ホスホヘキソースイソメラーゼ等の異性化酵素、アセチル−ＣｏＡ−シンセターゼ等の合成酵素等を用いることができる。
抗体や抗原としては、例えば、梅毒センサ用のトレポネーマや擬似脂質抗原、血液型センサ用の血液型決定物質、抗免疫グロブリンＧ，Ａ，Ｍ，Ｅ抗体、癌センサ用のＡＦＰ抗体等、ビオチン分子と選択的に結合するアビジン等の抗体蛋白質を用いることができる。
【００１８】
絶縁膜中に分散保持する感応物質は、感応物質が絶縁膜の有機溶剤に溶解しない物質（微粒子状態で絶縁膜中に分散）の場合は、絶縁膜の原料溶液中１〜５０ｗｔ％の範囲が望ましい。感応物質が１ｗｔ％未満では、検体液の特定成分との相互作用の検出が困難になる不都合が生じ、５０ｗｔ％を超えると絶縁膜の機械的強度が低下するため、いずれも好ましくない。
また、感応物質が絶縁膜の有機溶剤に溶解する物質（均一に絶縁膜中に分散）の場合は、絶縁膜の原料溶液中０．１〜２５ｗｔ％の範囲が望ましい。感応物質が０．１ｗｔ％未満では、検体液の特定成分との相互作用の検出が困難になる不都合が生じ、２５ｗｔ％を超えるとセンサの応答感度が低下し検体液中の特定成分の有無や濃度の検出が困難になる不都合が生じるため、いずれも好ましくない。
【００１９】
本発明の溶液成分センサは、検体液の特定成分の有無や濃度の検知、例えば、化学センサやバイオセンサ等として利用される。測定対象としては、例えば、Ｎａ+、Ｋ+、Ｃａ2+、Ｍｇ2+、Ａｌ3+、Ｆｅ2+、Ｆｅ3+、Ｃｌ-、ＮＯ2-、ＮＯ3-、ＳＯ42-、ＮＨ4+、ＰＯ43-等のイオン、グルコース等の糖、コレステロール，中性脂質等の脂質、フェニルアラニン，ロイシン等のアミノ酸、アルブミン等のタンパク質、インスリン，ＴＳＨ等のホルモン、免疫グロブリン等の抗体、抗原、ビタミン、体内の代謝経路で生産される一酸化窒素（ＲＮＯＳ）、ヒドロキシラジカル，スーパーオキシド，過酸化脂質等に代表される活性酸素（ＲＯＳ）類等の酸化ストレス物質等を挙げることができる。血液，リンパ液，尿，汗，唾液等の体液に含有されるこれらの成分の検知も行うことができる。
【００２０】
多孔体は、平均粒径が１〜３０μｍのものが好適に用いられる。多孔体の平均粒径が１μｍより小さくなると凝集し易く取扱性に欠け、３０μｍより大きくなると膜厚の薄い絶縁膜に保持するのが困難になり脱落し易くなるからである。
多孔体の添加量は、絶縁膜の原料溶液に対して１〜５０ｗｔ％の範囲が望ましい。１ｗｔ％未満では検体液の特定成分との相互作用の検出が困難になる不都合が生じ、５０ｗｔ％を超えると絶縁膜の機械的強度が低下するため、いずれも好ましくない。
多孔体の細孔の表面はアミノ基、カルボキシル基、水酸基、ケトン基、アセチル基、炭化水素鎖等の官能基や、アミド化、スルホン化、ニトリル化、エステル化、トリメチルシリル化、オクチル化、オクタデシル化、アミノプロピル化、シアノプロピル化等により化学修飾することができるが、これらに限定されるものではない。検体液中の対象成分や多孔体の種類に応じて適宜選択することができる。
化学修飾する方法としては、多孔体をテトラクロロエタン中で硫酸と反応させることによりスルホン化する方法、ブチルアミンやプロピルアミン等を用いて脱水トルエン中でアミド化する方法、塩化バレロイル等を用い脱水トルエン中でエステル化する方法、鍍金、化学蒸着あるいはスパッタリング等の方法でコーティングさせ、これにチオールあるいはニトリロ三酢酸（ＮＴＡ）等の誘導体を溶解させた溶液に含浸させて金属表面に化学吸着あるいは錯体を形成する性質を利用して分子を配向させる自己組織化膜法等を用いることができる。
【００２１】
感応物質を多孔体に担持させるには、感応物質を水やエタノール等の適当な溶媒に溶解させ、これに多孔体を混合し含浸させればよい。多孔体の表面に感応物質を物理吸着させることができるし化学吸着させてもよい。
【００２２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の溶液成分センサであって、前記絶縁膜中のフラーレン又はフラーレン誘導体の濃度が０．０１ｇ／ｃｍ3〜０．０７ｇ／ｃｍ3である構成を有している。
この構成により、請求項１又は２の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）フラーレン又はフラーレン誘導体が絶縁膜中に適量含有されていることにより、絶縁膜の誘電率の低下によりセンサ電圧が適正なレンジ範囲で検出され、絶縁膜の表面電荷の平均化により絶縁膜の持つ部分的な歪みや厚さのバラツキに起因する検出電圧のバラツキを抑え、データの精度と再現性をさらに高める。
【００２３】
ここで絶縁膜中のフラーレン又はフラーレン誘導体の濃度は０．０１ｇ／ｃｍ3〜０．０７ｇ／ｃｍ3が好ましい。０．０１ｇ／ｃｍ3よりも低い濃度ではフラーレンを含有させることによる検出電圧のバラツキを抑える効果が小さく、好ましくない。また０．０７ｇ／ｃｍ3よりも高い濃度では絶縁膜の均一性が低下して膜形状が安定せず信号測定が困難となり好ましくない。
【００２４】
請求項４に記載の溶液成分センサの製造方法は、フラーレン又はフラーレン誘導体を合成樹脂に混合してフラーレン含有合成樹脂液を調製する合成樹脂液調製工程と、基板上に所定間隔を置いて配置された電極対の表面及び前記電極対間の前記基板の表面に前記フラーレン含有合成樹脂液を塗布して絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程を有する構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）フラーレン又はフラーレン誘導体が合成樹脂に混合されるので絶縁膜中に均一に含有され、絶縁膜の部分によるバラツキを抑えることができるので、同一の基板上に複数のセンサを備えていてもセンサ間の検出電圧のバラツキの少ない、再現性のよいデータを得られる溶液成分センサが製造できる。
（２）複数のセンサ間のバラツキが少ないので、既存の半導体製造技術を利用して製造することができるとともに、量産性に優れ、信頼性、作業性に優れた溶液成分センサが製造できる。
【００２５】
ここでフラーレンを合成樹脂に混合する方法には、粉体のまま樹脂に混錬する方法や溶媒に予め溶解して添加する方法が使用できる。フラーレンを溶解する有機溶媒としては、特に限定しないがジクロロベンゼン、クロロベンゼン、トリクロロベンゼン、ジオキサン、トルエン、四塩化炭素、二硫化炭素、ベンゼン、クロロナフタレンなどを用いることができる。発明者の知見によるとフラーレンを予め溶解して合成樹脂に添加した場合、合成樹脂を溶解している溶媒によってフラーレンは以下の2通りの挙動を示す。
（１）合成樹脂を溶解している溶媒に対するフラーレンの溶解度が高い場合。
合成樹脂液との添加混合過程や樹脂溶液が塗布され乾燥して溶媒が蒸発する過程において、フラーレンの微粒子が析出することなく合成樹脂中に均一に分散したまま固化する。
（２）合成樹脂を溶解している溶媒に対するフラーレンの溶解度が低い場合。
合成樹脂液に添加混合すると、合成樹脂液中でフラーレンが主として１〜５μｍの微粒子として析出し、均一に分散する。樹脂と共に塗布され、均一分散したまま乾燥する。
（１）、（２）のいずれの場合も本願のセンサの機能としては差が認められなかった。
【００２６】
合成樹脂としては前述のフルオロオレフィンビニルエーテル重合体やノボラック系フェノール樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂等が好適に用いられる。
合成樹脂を溶解する溶媒とフラーレンを溶解する有機溶媒が異なる場合には両者を添加混合する合成樹脂液調製工程で合成樹脂が不均一に析出しないことが好ましい。両者を添加混合して合成樹脂が不均一に析出する場合には均一に形成された絶縁膜とならない恐れがあるためである。
フラーレン含有合成樹脂液液の塗布方法は特に限定しないが、ロール法、スピンコート法、インクジェット法やスプレーによる吹きつけなどが使用できる。またディップコーティングで塗布したり、基板上に滴下した溶液をそのまま乾燥・固化させてもよい。
【００２７】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の溶液成分センサの製造方法であって、前記合成樹脂液調製工程において、フラーレン又はフラーレン誘導体を溶媒に溶解し不溶成分を分離除去する工程を有する構成を有している。
この構成により、請求項４の作用に加えて以下のような作用を有する。
（１）溶媒に不溶性のフラーレン成分が分離されることで、絶縁膜中のフラーレン又はフラーレン誘導体の分布がより均一となり、より検出電圧のバラツキの少ない、再現性のよいデータを得られる溶液成分センサが製造できる。
【００２８】
ここでフラーレンを溶解する溶媒としては、特に限定しないがジクロロベンゼン、クロロベンゼン、トリクロロベンゼン、ジオキサン、トルエン、四塩化炭素、二硫化炭素、ベンゼン、クロロナフタレンなどを用いることができる。
溶媒に溶けなかったフラーレンの不溶成分の分離には限外ろ過による方法、遠心分離により不溶成分を沈降させて上清と分ける方法などが使用できる。
【００２９】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の溶液成分センサの製造方法であって、前記合成樹脂液調製工程において、感応物質を前記フラーレン含有合成樹脂液に溶解または分散させる工程を有する構成を有している。
この構成により、請求項４又は５の作用に加えて以下のような作用を有する。
（１）感応物質が絶縁膜に含まれているので、検体液中の特定物質を非常に高感度で再現性よく検出できる溶液成分センサが製造できる。
【００３０】
ここで感応物質は直接添加または、溶媒などに分散あるいは溶解してから添加することができる。
【発明の効果】
【００３１】
以上のように、本発明の溶液成分センサとその製造方法によれば、以下のような有利な効果が得られる。
請求項1に記載の発明によれば、
（１）フラーレン又はフラーレン誘導体が絶縁膜中に含有されていることにより、絶縁膜の誘電率が低下するとともに、絶縁膜の表面電荷が平均化され、絶縁膜の持つ部分的な歪みや厚さのバラツキに起因する検出電圧のバラツキを抑え、データの精度と再現性がさらに高い溶液成分センサを提供することができる。
（２）電極の表面及び電極間の基板の表面がフラーレン又はフラーレン誘導体を含有する絶縁膜で被覆されていることにより、絶縁膜上に滴下した微量の血液、リンパ液、細胞質基質などの体液を含む検体液中に含まれる成分の量に応じて変化する絶縁膜表面の静電分極量を電極間の電圧値又は電流値として短時間で、従来法より精度よく、検出することができる溶液成分センサを提供することができる。
（３）電極表面が絶縁膜で被覆されていることにより、絶縁膜上に検体液を滴下或いは塗布するだけで、絶縁膜と検体液の界面に電荷の分離が発生し、検体液に含まれる電解効果の大きな無機イオンあるいは抗抗体などの成分を検出することができるので、１〜１０μＬの極微量な検体液で測定を行うことができ、測定前に特別な前処理等を行う必要もないので、検体液の採取や取り扱いが容易で作業性に優れる溶液成分センサを提供することができる。
（４）構造が簡単な電極対を半導体作製技術によって基板上に高密度に集積させることができ、小型化が容易で量産性に優れ、電気回路や半導体集積回路などに容易に組み込むことができ、検出した化学的な情報を電気信号として短時間で処理することができ、高度で複雑な分析が可能な検知システムを構築することもできる溶液成分センサを提供することができる。
【００３２】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、
（１）電極の表面及び電極間の基板の表面が感応物質を分散保持した絶縁膜で被覆されていることにより、絶縁膜上に滴下した微量の検体液中に含まれる特定の成分が、絶縁膜の表面の感応物質と相互作用する場合、特定の成分の有無や量に応じて電極間の電位に変化が生ずるため、これを検出することで、複数成分が混合した検体液中の特定成分の有無等を短時間で精度よく検知することができる選択性に優れた溶液成分センサを提供することができる。
（２）電極表面が絶縁膜で被覆されていることにより、絶縁膜上に検体液を滴下或いは塗布するだけで、絶縁膜と検体液の界面に電荷の分離を生じ、その静電誘導効果によって絶縁膜を構成している分子に分極が生じる。分極による電荷の量は、感応物質と相互作用する検体液の特定の成分の濃度に大きく依存し電気的に検知できるので、１〜１０μＬの極微量な検体液で測定を行うことができ、測定前に特別な前処理等を行う必要もないので、検体液の採取や取り扱いが容易で作業性に優れた溶液成分センサを提供することができる。
【００３３】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２の効果に加え、
（１）フラーレンが絶縁膜中に適量含有されていることにより、絶縁膜の誘電率の低下と絶縁膜の表面電荷の平均化により検出感度の鋭敏さが緩和されると共に平均化され、絶縁膜の持つ部分的な歪みや厚さのバラツキに起因する検出電圧のバラツキを抑え、データの精度と再現性がさらに高い溶液成分センサを提供することができる。
【００３４】
請求項４に記載の発明によれば、
（１）フラーレンが合成樹脂に混合されるので、絶縁膜中に均一に含有され、絶縁膜の部分によるバラツキを抑えることができるので、同一の基板上に複数のセンサを備えていてもセンサ間の検出電圧のバラツキの少なく、再現性のよいデータを得られる溶液成分センサの製造方法を提供することができる。
（２）複数のセンサ間のバラツキが少ないので、既存の半導体製造技術を利用して製造することができるとともに、量産性に優れ、信頼性、作業性に優れた溶液成分センサの製造方法を提供することができる。
【００３５】
請求項５に記載の発明によれば、請求項４の効果に加え、
（１）溶媒に不溶性のフラーレン成分が分離されることで、絶縁膜中のフラーレンの分布がより均一となり、より検出電圧のバラツキの少ない、再現性のよいデータを得られる溶液成分センサの製造方法を提供することができる。
【００３６】
請求項６に記載の発明によれば、請求項４又は５の効果に加え、
（１）感応物質が絶縁膜に含まれているので、検体液中の特定物質を非常に高感度で再現性よく検出できる溶液成分センサの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】（ａ）実施の形態１における溶液成分センサを示す平面図 （ｂ）図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面模式図
【図２】実施の形態１における溶液成分センサの使用状態を示す断面模式図
【図３】実施の形態２における溶液成分センサの断面模式図
【図４】実施の形態２における溶液成分センサの使用状態を示す断面模式図
【図５】実施の形態３における溶液成分センサの断面模式図
【図６】複数のセンサ部分を同一基板上に設けた溶液成分センサの模式図
【図７】実施例１のナトリウム濃度とＮａ検出電圧の関係を示す図
【図８】実施例２のナトリウム濃度とＮａ検出電圧の関係を示す図
【図９】比較例１のナトリウム濃度とＮａ検出電圧の関係を示す図
【図１０】実施例３の絶縁膜中のフラーレン濃度とＮａ検出電圧との関係を示す図
【図１１】実施例２の検体液の抗ＩｇＧの濃度と検出電圧の関係を示す図
【図１２】比較例２の検体液の抗ＩｇＧの濃度と検出電圧の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）は実施の形態１における溶液成分センサを示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面模式図である。
図１中、１は本発明の実施の形態１における溶液成分センサ、２は各種の合成樹脂、ガラス、セラミックスなどで形成した溶液成分センサ１の基板、３は基板２の上面に略半円形状の２つの電極４が辺部４ａ同士で対向するように離間して配置された溶液成分センサ１の電極対、４ｂは各々の電極４の円弧状の側部に延設された電極対３の端子部、５は電極対３を含んで基板２の全面を被覆したフルオロオレフィンビニルエーテル重合体やノボラック系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂などからなるフラーレンを含有した絶縁膜、６は端子部４ｂで電極対３に電気的に接続され、電極４間の電圧値や電流値等を検出するデジタルマルチメータなどの検出部、７は検出部６に接続され検出部６が検出した検出データに基づいて検体液に含まれる特定の成分の量を検知して特定の成分の有無や濃度を判定する判定部である。
【００３９】
図１において、基板２の材質は、本実施の形態に限定されるものではなく、分析する検体液によって侵されず、基板２上に電極対３及び絶縁膜５を形成することができ、電極対３を電気的に絶縁できるものであればよい。特にガラス等の透明な材質を用いた場合は、顕微鏡などによる検体液の観察も行うことができ汎用性に優れる。また、基板２の形状は、矩形状以外に多角形状、円盤状などの種々な形状に形成することができる。
本実施の形態では、基板２にＣｒを蒸着した上からＡｕの電極４を形成することにより、Ｃｒをバインダとして電極４と基板２の密着性を向上させている。
【００４０】
対向する２つの電極４の辺部４ａ間の間隔は、検体液や電極４の種類などにもよるが、１μm〜１０ｍｍの範囲に形成した。辺部４ａ間の間隔が１μmより狭くなるにつれ、検体液中の成分の濃度に対する電流値等の電気特性の相関が小さくなり、応答感度が低下し易くなる傾向があり、間隔が１０ｍｍより長くなるにつれ、検出感度が低下し易くなり、データの再現性に欠ける傾向があることがわかったためである。
【００４１】
本実施の形態では、基板２の全面を絶縁膜５で被覆したが、絶縁膜５は少なくとも電極４の表面を被覆していればよい。
絶縁膜５の膜厚は材質によって異なるが、検体液と電極対３の間を確実に絶縁でき、センサとしての応答性を保つことができる範囲で選択する必要がある。絶縁膜５の膜厚が薄くなるにつれ、絶縁膜５の効果が不十分となりセンサの感度が低下する傾向があり、厚くなるにつれ、検体液中の特定の成分濃度が変化しても電圧値や電流値に変化が見られなくなりセンサの応答性が低下する傾向があることがわかったためである。例えば、フルオロオレフィンビニルエーテール重合体(分子量分布１００〜１０００)であれば０．２μｍ〜０．８μｍが好ましく、ノボラック系フェノール樹脂(分子量分布１０００〜１００００)、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリイミド系樹脂であれば、５μｍ〜２０μｍが好ましい。
【００４２】
以下、実施の形態１における溶液成分センサの動作原理について説明する。
図２は実施の形態１における溶液成分センサの使用状態を示す断面模式図である。
図２中、１０は電極対３上のフラーレンを溶解した絶縁膜５に滴下した検体液である。
フラーレンを含有した絶縁膜５の表面に検体液１０を滴下或いは塗布する等して接触させると、フラーレンを含有した絶縁膜５と検体液１０の界面に電荷の分離が生じ、溶液側と絶縁膜側は等しい数の極性の異なる電荷で帯電状態になる。その結果、絶縁膜が誘導分極し、電極間と接している絶縁膜内側にも電荷が生じる。電極間に電圧を負荷させると、この電荷が電子の流れを加速するため、電極間の電流値や電圧値に変化が生じる。検体液１０中に含まれる抗体、抗抗体やNaイオンなどの成分は、この誘導分極効果が大きいため、その濃度に比例した電流値や電圧値の変化を検出部６で検出することができる。
フラーレンを含有した絶縁膜５はフラーレンの電気特性により、膜面上の電荷の分布の局所的なバラツキを抑えられる。絶縁膜５はフラーレンにより誘電率を下げられ、膜の歪みや厚さの局所的バラツキに起因する測定電圧のバラツキが減少し、より再現性のよい測定が可能となる。
判定部７に予めその物質の濃度と電圧値若しくは電流値との関係を記憶させておき、その標準データと検出データ（測定データ）を比較することにより、確実かつ迅速な濃度の判定を行うことができる。
また、判定部７に記憶部を設けて検出データを継続的或いは定期的に記憶させておくことにより、検体の状態の変化や推移を管理することができ汎用性に優れる。
【００４３】
実施の形態１の溶液成分センサは以上のように構成されているので、以下の作用を有する。
（１）電極４の表面及び電極４間の基板２の表面が絶縁膜５で被覆されていることにより、絶縁膜５上に滴下した微量の検体液１０中に含まれる抗体、抗抗体やNaイオンなどの成分の量に応じて変化する電極４間の電圧値又は電流値を短時間で精度よく再現性よく検出することができ、検体の状態を簡便に判定することができる。
（２）構造が簡単な電極対３を半導体作製技術によって基板２上に高密度に集積させることができ、小型化が容易で量産性に優れ、電気回路や半導体集積回路などに容易に組み込むことができ、検出した化学的な情報を電気信号として短時間で処理することができ、高度で複雑な分析が可能な検知システムを構築することもできる。
（３）電極４表面がフラーレンを含有した絶縁膜５で被覆されていることにより、フラーレンを溶解した絶縁膜５上に検体液１０を滴下或いは塗布するだけで、絶縁膜５と検体液１０の界面に電荷の分離が発生し、帯電量が増加して誘導分極が起る。電極４と接しているフラーレンを溶解した絶縁膜５内側にも電荷が生じるため、電極４間に電圧を負荷させることにより、その電荷が電子の流れを加速して検体液１０に含まれる分極効果の大きな抗体、抗抗体やNaイオンなどの成分を検出することができるので、１〜１０μＬの極微量な検体液１０で測定を行うことができ、測定前に特別な前処理等を行う必要もないので、検体液１０の採取や取り扱いが容易で作業性に優れる。
（４）絶縁膜５上に検体液１０を滴下或は塗布する等して接触させると、絶縁膜５と検体液１０の界面に電荷の分離が生じるが、絶縁膜５を形成する有機薄膜層の表面には高分子末端あるいは分岐末端の化学構造に由来する各種官能基（カルボキシル基、ケトン基、水酸基、アミノ基、エーテル基等）ならびに極性基（フッ素、塩素、臭素等）が存在するため、この分極現象が大きく、溶液成分センサ１の応答性を向上させることができる。また検体液１０中の化学種によっては、有機薄膜表面の各種官能基と特異的な分極を生じるため、応答感度の高い溶液成分センサ１の作製が可能となる。
（５）フラーレンを含有した絶縁膜５はフラーレンの電気特性により、膜上の電荷の分布が平均化するので、膜の厚さのバラツキや歪みに起因する測定電圧のバラツキが抑えられ、再現性のよい応答感度の高い溶液成分センサ１の作製が可能となる。
（６）電極対３に接続された検出部６を備えているので、電極４間の電圧変化又は電流変化を簡便に検出することができ、その測定値に基づいて直ちに検体液１０中の成分濃度を求めることができる。
（７）検出部６が検出した検出データに基づいて検体液１０に含まれる成分の量を検知して状態を判定する判定部７を有するので、短時間で即座に検体液１０の状態を知ることができ、取扱い性に優れる。
【００４４】
（実施の形態２）
図３は実施の形態２における溶液成分センサを示す断面模式図である。
なお、実施の形態２における溶液成分センサと同様のものは、同じ符号を付して説明を省略する。
図中、１ａは実施の形態２における溶液成分センサ、５ａは絶縁膜５に分散保持された錯体形成化合物，ホスト化合物，酵素，抗体，抗原等の感応物質である。
また、基板２の表面に複数の電極対３を形成し、被覆する絶縁膜５に保持させた感応物質の種類を電極対３毎に異ならせておくこともできる。これにより、１枚の基板２で複数種の溶液成分を検知することができるため好ましい。
【００４５】
以下、実施の形態２における溶液成分センサの製造方法の一例を説明する。
有機溶剤にエポキシ樹脂，フェノール樹脂等を主成分とするマトリックス材料を溶解して調製した合成樹脂液に、フラーレン又はフラーレン誘導体を溶解したフラーレン液を混合し、フラーレン含有合成樹脂液を調製する。次いで錯体形成化合物，ホスト化合物，酵素，抗体，抗原等の感応物質５ａを前記フラーレン含有合成樹脂液に溶解又は分散させたフラーレン・感応物質含有合成樹脂液を調製する。このフラーレン・感応物質含有合成樹脂液を、電極対３が形成された基板２の上にスピンコート等によって薄く塗布し、乾燥することによって溶液成分センサ１ａを製造できる。
【００４６】
次に、実施の形態２における溶液成分センサの動作原理について説明する。
図４は実施の形態２における溶液成分センサの使用状態を示す断面模式図である。
図４中、１０は電極対３上の絶縁膜５に滴下した血液，リンパ液，細胞質基質等の検体液である。
絶縁膜５の表面に検体液１０を滴下或いは塗布する等して接触させると、絶縁膜５と検体液１０の界面に電荷の分離が生じ、電気二重層を形成し、検体液１０側と絶縁膜５側は等しい数の極性の異なる電荷で帯電状態になる。その結果、絶縁膜５が誘電分極し、電極４と接している絶縁膜５内側にも電荷が生じる。この電荷の量は絶縁膜５の表面に露出した感応物質５ａと相互作用する検体液１０の特定の成分の濃度に依存するので、電極４間に電圧を負荷するか電流を流すと、電極４間の電流値や電圧値に変化が生じる。これを検出部６で検出する。
【００４７】
実施の形態２の溶液成分センサは以上のように構成されているので、以下の作用を有する。
（１）電極４の表面及び電極４間の基板２の表面が感応物質５ａを分散保持した絶縁膜５で被覆されていることにより、絶縁膜５上に滴下した微量の検体液１０中に含まれる特定の成分が、絶縁膜５の表面の感応物質５ａと相互作用する場合、特定の成分の有無や量に応じて電極４間の電位に変化が生じるため、これを検出することで、複数成分が混合した検体液１０中の特定成分の有無等を短時間で精度よく検知することができる。
（２）電極４の表面が絶縁膜５で被覆されていることにより、絶縁膜５上に検体液１０を滴下或いは塗布するだけで、絶縁膜５と検体液１０の界面に電荷の分離を生じ電気二重層が形成される。電気二重層の電荷の量は、感応物質５ａと相互作用する検体液１０の特定の成分の濃度に大きく依存し電気的に検知できるので、１〜１０μＬの極微量な検体液１０で測定を行うことができ、測定前に特別な前処理等を行う必要もないので、検体液１０の採取や取り扱いが容易で作業性に優れる。
【００４８】
（実施の形態３）
図５は実施の形態３における溶液成分センサの断面模式図である。なお、実施の形態１又は実施の形態２における溶液成分センサと同様のものは、同じ符号を付して説明を省略する。
図中、１ｂは実施の形態３における溶液成分センサ、５ｂは絶縁膜５に分散保持され錯体形成化合物，ホスト化合物，酵素，抗体，抗原等の感応物質を担持したシリカゲル，活性炭，ゼオライト等の多孔体である。
なお、本実施の形態においては、平均粒径１〜３０μｍの多孔体を用いている。
【００４９】
以下、実施の形態３における溶液成分センサの製造方法の一例を説明する。
まず、有機溶剤にエポキシ樹脂，フェノール樹脂等を主成分とするマトリックス材料を溶解して調製した合成樹脂液と、フラーレン又はフラーレン誘導体を溶解して調製したフラーレン溶解液とを混合し、フラーレン含有合成樹脂液とする。次いでフラーレン含有合成樹脂液に多孔体５ｂを分散させてフラーレン・多孔体含有合成樹脂液を調製する。このフラーレン・多孔体含有合成樹脂液を、電極対３が形成された基板２の上にスピンコート等によって約０．５μｍの厚さに塗布し乾燥することによって、絶縁膜５の表面に多孔体５ｂの一部が露出した構造を形成させる。
次に、錯体化合物、ホスト化合物、酵素、抗体、抗原等の感応物質を水やエタノール等の適当な溶媒に溶解させ、溶液成分センサ１ｂの表面に滴下し吸着させる。これを洗浄、乾燥して、感応物質を担持させた多孔体５ｂを表面に保持した溶液成分センサ１ｂを製造できる。
【００５０】
実施の形態３における溶液成分センサの動作原理は、実施の形態２で説明したものと同様なので、説明を省略する。
【００５１】
以上のように構成された実施の形態３における溶液分析センサによれば、実施の形態１又は２の作用に加え、以下のような作用が得られる。
（１）感応物質が多孔体５ｂに担持され絶縁膜５に分散保持されているので、感応物質を多孔体５ｂに担持させることができればどのような感応物質でも絶縁膜５に分散保持させることができ自在性に優れる。
（２）細孔の表面を化学修飾した多孔体に感応物質を担持させ、該多孔体を絶縁膜５に分散保持させると、多孔体の担持能を高められるため絶縁膜を検体液等に接触させたときに多孔体から感応物質を溶出し難くすることができる。このため、検体液の成分を繰り返し測定しても絶縁膜内の感応物質が減少し難いため、絶縁膜の感度を持続させ耐久性を高めることができる。
（３）また、表面が化学修飾された細孔によって、多孔体に担持された感応物質に加え、検体液中の成分との相互作用（例えば水素結合相互作用や静電相互作用）を利用し絶縁膜の分極現象を大きくすることができ、検出感度をさらに向上させることができる。
【００５２】
図１〜５では、説明の都合上、一対の電極対３のみを図示したが、実施の形態１乃至３のいずれにおいても基板２上には１乃至複数の電極対３を形成することがき、その配置は任意に選択することができる。また、電極対の各々の電極の形状は限定されるものではないが、三角形状、矩形状、半円形状等に形成することができる。尚、電極対は非対称であっても、大きさが異なっていてもよく、辺部同士が対向するように配置される。また、本実施の形態では各々の電極４の側部から延設された２本の端子部４ｂを略Ｌ字型に形成し、基板２の一端部から取り出したが、これに限定されるものではなく、端子部４ｂの取り出し位置や取り出し方向は任意に選択することができる。
１枚の基板に５対の電極対３を作成した場合について図６に示す。幅２０ｍｍ×長さ２０ｍｍ×厚さ１ｍｍのガラスの基板２に３ｍｍ径の半月型電極対３を５個設け、各々端子部４ｂと結合させている。
【実施例１】
【００５３】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
まず、実施の形態１で説明した溶液成分センサ１について、溶液中の成分の検出能力について実験を行った。
溶液成分センサ１の基板２は１ｍｍ厚のガラス基板とし、半円形状の電極４を２ｍｍ離間させて対向配置した略円形状の電極対３の直径は３ｍｍとした。電極４はスパッタリング法にてＣｒ層０．１μm、Ａｕ層１μmを積層させ、フォトリソグラフィー法にてパターニングした。ガラス基板上にこのような電極対３を５対配置した。
フラーレン（フロンティアカーボン（株）製 ｎａｎｏｍ ｐｕｒｐｌｅ）２０ｍｇをジクロロベンゼン（和光純薬製）５００μＬに溶解した。この液をジクロロベンゼンに溶解したポリイミド系樹脂とフラーレン溶解液の体積比が１：１となるように混合し、フラーレン含有合成樹脂液を調製した。
次いで、スピンコーティング法によって基板２の全面をフラーレン含有合成樹脂液で被覆し、厚さ１０μｍのフラーレンを含む絶縁膜５を得た。
このフラーレンを含む絶縁膜５の表面に検体液１０としてリン酸緩衝生理食塩水液（ＮａＣｌ ８．０ｇ／Ｌ ｐＨ７．２〜７．４）（以下これを濃度1のＰＢＳと略す。）を各々２μＬ各々のセンサ電極対に滴下した。このＰＢＳのナトリウムの濃度に対し、検出部６で検出される電極４間の電圧値をＮａ検出電圧として測定した。さらに濃度０．２及び濃度２．３のＰＢＳについて、同様にしてＮａ検出電圧を測定した。
【実施例２】
【００５４】
フラーレン（フロンティアカーボン（株）製 ｎａｎｏｍ ｐｕｒｐｌｅ）２０ｍｇをジクロロベンゼン（和光純薬製）５００μＬに溶解した後、孔径０．１μｍのスピンカラムを使ってフラーレンの不溶成分を除いて使用した以外は実施例１と同様にして溶液成分センサを作成し、実施例１と同様の測定をした。
【００５５】
（比較例１）
絶縁膜５にフラーレンを含ませずジクロロベンゼンに溶解したポリイミド系樹脂で作成した以外は実施例１と同様にして、溶液成分を作成し、測定をした。
【００５６】
図７は実施例１のＮａ濃度とＮａ検出電圧との関係を示す図である。
図８は実施例２のＮａ濃度とＮａ検出電圧との関係を示す図である。
図９は絶縁膜がフラーレンを含まない場合（比較例１）のナトリウム濃度とＮａ検出電圧との関係を示す図である。
絶縁膜がフラーレンを含有しない場合（図９）に比べて、図７、図８に示す実施例１，２のフラーレンを含有した絶縁膜ではガラス基板上に配置した５つのセンサ部のＮａ検出電圧のバラツキが小さくなり、精度の高い測定ができていることが示された。
また図８から、フラーレンの不溶成分を除去することでさらにバラツキが小さくなり、精度の高い測定ができることが示された。
【実施例３】
【００５７】
次にフラーレンの絶縁膜中の濃度を変えた以外は実施例１と同様にして溶液成分センサを作成して、濃度１のＰＢＳを使ってＮａ検出電圧を測定した。結果を図１０に示す。
図１０よりフラーレン濃度を上げるにつれ検出電圧のバラツキが減っていくことが示された。しかし０．０７ｇ／ｃｍ3を超えると検出電圧のバラツキが大きくなってしまった。
これは樹脂膜が乾燥するときにフラーレン濃度が高いと膜としての形状を保つことができず、測定が困難なセンサ部分が生じてしまうことが原因である。
よって絶縁膜中のフラーレンの濃度は０．０１〜０．０７ｇ／ｃｍ3が好ましい。
【実施例４】
【００５８】
次に合成樹脂としてポリ塩化ビニルを使用した以外は実施例１と同様にして溶液成分センサを作成して、濃度１のＰＢＳを使ってＮａ検出電圧を測定した。
【００５９】
（比較例２）
次に合成樹脂としてポリ塩化ビニルを使用した以外は比較例１と同様にして溶液成分センサを作成して、濃度１のＰＢＳを使ってＮａ検出電圧を測定した。
【００６０】
（比較例３）
実施例３のフラーレンを（Ａ）酸化物系粒子であるチタニア、リチウムアルミネート、酸化ニッケル、酸化亜鉛、シリカゲル、（Ｂ）金属系粒子である塩化パラジウム、ニッケル、（Ｃ）炭素系粒子である単層カーボンナノチューブ、カードラン、多層カーボンナノチューブに変えて同様に測定した。使用量は実施例１のフラーレンと同じ２０ｍｇである。
【００６１】
実施例４と比較例２及び比較例３の結果を表１に示す。平均電圧が低いほど測定範囲が広がる。またＣＶ値が低いほど測定値のバラツキが小さいことを表す。粒子を何も加えなかったコントロールと比較すると他の酸化物系粒子や金属系粒子、炭素系粒子に比べてフラーレンが平均電圧を下げなおかつバラツキを抑える効果が高いことが示された。
【００６２】
【表１】
【実施例５】
【００６３】
実施例４と同様に溶液成分センサの基板と電極を準備した。
フラーレン（フロンティアカーボン（株）製 ｎａｎｏｍ ｐｕｒｐｌｅ）２０ｍｇをジクロロベンゼン（和光純薬製）５００μＬに溶解し、孔径０．１μｍの遠心式限外ろ過フィルターユニットを使ってフラーレンの不溶成分を除いた。テトラヒドロフランに溶解したポリ塩化ビニル樹脂液と不溶成分を除いたフラーレン溶液の体積比が１：１となるように混合し、フラーレン含有合成樹脂液を調製した。テトラヒドロフランにフラーレンは溶解しないので、混合するとフラーレンが析出し微粒子となって分散したフラーレン含有合成樹脂液となった。このフラーレン含有樹脂液に、多孔体としてシリカゲル（和光純薬（株）製）を２０ｍｇ／ｍＬとなるように添加しフラーレン・多孔体含有合成樹脂液を得た。
次いで、スピンコーティング法によって基板２の全面をフラーレン・多孔体含有合成樹脂液で被覆し、表面にシリカゲルを露出した厚さ２０μｍのフラーレンを含有した絶縁膜５を得た。
マウスのＩｇＧ抗体（シグマ社製）を１００μｇ／ｍＬとなるようにＰＢＳ（１倍濃度）で希釈する。これを各センサ表面に５μＬずつ滴下し、絶縁膜表面に露出したシリカゲルに吸着させる。５分間室温で放置した後、エアーブロー処理により液を吹き飛ばし、蒸留水を各センサ表面に１５μＬずつ滴下し、吸着しなかったＩｇＧ抗体を洗浄する。５分間室温で放置した後、エアーブロー処理により液を吹き飛ばし、ＩｇＧを感応物質として担持したシリカゲルを表面に露出した絶縁膜を持つ溶液成分センサを得た。
抗マウスＩｇＧ抗体（抗抗体）（ＤＡＫＯ社製）を５倍濃度のＰＢＳによって希釈し、濃度０．５μｇ／ｍＬ、１μｇ／ｍＬ、４μｇ／ｍＬ、７μｇ／ｍＬ、１０μｇ／ｍＬの抗抗体液を調製する。
この抗抗体液を検体液とする。電極対３の表面に、まず０．２倍濃度のＰＢＳを４μＬずつ滴下し、検出部６で検出される電極間４の電圧値Ｅ0を２分間計測した。計測を継続したまま、検体液を各電極対３に１２μＬずつ滴下し４分間保持して計測を終了した。
検体液滴下による最大検出電圧をＥ1、検体液滴下から３〜５分間における検出電圧の平均値Ｅ2を解析し、各々の測定センサの相対応答値Ｒ＝（Ｅ2−Ｅ0）／（Ｅ1−Ｅ0）を算出した。
【００６４】
（比較例４）
フラーレンを添加しなかった以外は実施例２と同様にセンサを作成し、実施例５と同様の測定を行った。
【００６５】
図１１に実施例５の、図１２に比較例４の結果を示す。縦軸が相対応答率Ｒを、横軸が検体液中の抗抗体の濃度を示す。
フラーレン微粒子を含まない比較例４（図１２）に比べてフラーレン微粒子を絶縁膜中に分散させた実施例５（図１１）は測定値のバラツキが小さく、再現性よく測定できることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、検体液中のイオン、糖、脂質、抗体、抗原等の特定成分の有無や濃度を検知することのできる溶液成分センサに関し、構造が簡単でシステム全体を小型化することができ、半導体製造技術を利用して製造することができ量産性に優れ、検体液中に含まれる１ｐｐｍ程度の極微量の特定成分を極短時間で精度よく検知可能な信頼性、作業性に優れる溶液成分センサを提供できる。
【符号の説明】
【００６７】
１，１ａ、１ｂ 溶液成分センサ
２ 基板
３ 電極対
４ 電極
４ａ 辺部
４ｂ 端子部
５ 絶縁膜
５ａ 感応物質
５ｂ 多孔体
６ 検出部
７ 判定部
１０ 検体液
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検体液中に含まれるイオン、糖、脂質、抗体、抗抗体、抗原等の種々の成分の濃度を電圧変化又は電流変化に基づいて検知することができる溶液成分センサとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロマシン技術の一種として、微量液体の分析、反応、ならびに分離操作に利用する流体マイクロシステム（ｆｌｕｉｄ ＭＥＭＳ：ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）が知られている。
流体マイクロシステムはマイクロポンプ、ミキサ、バルブ、リアクタ、セパレータ、センサなどの各要素を基板（チップを含む）上に実装し、パッケージ化したものであり、ポストゲノム研究およびプロテオーム研究の発展に欠かせないツールとして期待されている。
このような流体マイクロシステムにおける検体液の濃度を計測する手段として、例えば（特許文献１）には、「基板と、前記基板上に所定間隔をおいて配置された電極対と、前記電極対の表面及び前記電極対間の前記基板の表面を被覆し血液、リンパ液、細胞質基質などの体液を含む検体液と接触する絶縁膜と、を備えていることを特徴とする酸化ストレス物質検知センサ」が開示されている。この方法では検体液中に含まれる１ｐｐｍ程度の極微量の一酸化窒素などの特定の成分を極短時間で精度よく検知できるが、選択性が乏しいため、特定成分の有無や濃度の検知が困難であった。そのため、特定成分の有無や濃度の検知ができる選択性の付与が要望されていた。
【０００３】
また、本発明者は、構造が簡単でシステム全体を小型化することができるとともに、既存の半導体製造技術を利用して製造することができるので新たな設備を要さず量産性に優れ、複数成分が混合した検体液中の特定成分の有無等を短時間で精度よく検知することができる選択性のあるセンサの提供を目的として鋭意研究の結果、「基板と、前記基板上に所定間隔をおいて配置された電極対と、前記電極対の表面及び前記電極対間の前記基板の表面を被覆し感応物質を分散保持した絶縁膜と、を備えた溶液成分センサ」を完成し、特許出願した（特許文献２、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２７１２８７号公報
【特許文献２】特開２００８−１３４１０５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】”Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ: Ｃｈｅｍｉｃａｌ”（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ），Ｖｏｌｕｍｅ １２９，Ｐａｇｅｓ９５８-９７０，Ｔ．Ｉｓｏｄａ ｅｔ ａｌ．（２２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の技術においては、以下のような課題を有していた。
（１）（特許文献１）の酸化ストレス物質検知センサは、本願出願人らが出願したものであり、検体液中に含まれる１ｐｐｍ程度の極微量の一酸化窒素などの特定の成分を極短時間で精度よく検知できる。しかし半導体製造方法で、基板上にこれらのセンサを複数配置させ、これを同時に測定する場合、絶縁膜の性状を一定に成膜することが難しく、その結果各々のセンサの検出電圧のバラツキが大きくなり再現性の改善が望まれていた。
（２）（特許文献２）の溶液成分センサも、本願出願人らが出願したものであり、絶縁膜に感応物質を分散保持させることにより、複数成分が混在した検体液中の１ｐｐｍ程度の極微量の無機イオンや抗体あるいは抗原等の特定の成分を極短時間で精度よく検知できる。しかし、基板上にセンサを複数配置させ、同濃度の検体液を同時に測定する場合、検出感度が高いために溶液成分センサ自身の絶縁膜のわずかな歪みや絶縁膜の厚さに起因する誘電率のバラツキなども検出してしまい、その結果検出電圧の精度が低くなるという問題を生じた。さらに各センサ毎に異なる濃度の検体液を測定した場合、この誤差によって検体濃度に対する応答電圧の関係（検量線）の線形性が低下し、基板上のセンサ毎の測定値の精度の改善が望まれていた。
【０００７】
本発明は上記要望に応えるもので、構造が簡単でシステム全体を小型化することができ、しかも既存の半導体製造技術を利用して製造することができるとともに、量産性に優れ、検体液中に含まれる１ｐｐｍ程度のイオン、糖、脂質、抗体、抗原等の成分の濃度を極短時間で精度よく計測可能な信頼性、作業性に優れた溶液成分センサの提供を目的とする。
また本発明は、検出電圧のバラツキが小さく、再現性のよいデータを得ることが可能な溶液成分センサの量産性に優れた製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明の溶液成分センサとその製造方法は、以下の構成を有している。
本発明の請求項１に記載の溶液成分センサは、基板と、前記基板上に所定間隔をおいて配置された電極対と、前記電極対の表面及び前記電極対間の前記基板の表面を被覆した絶縁膜と、を有し、前記絶縁膜がフラーレン又はフラーレン誘導体を含有していること、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）フラーレン又はフラーレン誘導体が絶縁膜中に含有されていることにより、絶縁膜の誘電率が低下するとともに、絶縁膜の表面電荷が平均化され、絶縁膜の持つ部分的な歪みや厚さのバラツキに起因する検出電圧のバラツキを抑え、データの精度と再現性をさらに高める。
（２）電極の表面及び電極間の基板の表面がフラーレン又はフラーレン誘導体を含有する絶縁膜で被覆されていることにより、絶縁膜上に滴下した微量の血液、リンパ液、細胞質基質などの体液を含む検体液中に含まれる成分の量に応じて変化する絶縁膜表面の静電分極量を電極間の電圧値又は電流値として短時間で、従来法よりも精度よく、検出することができる。
（３）電極表面が絶縁膜で被覆されていることにより、絶縁膜上に検体液を滴下或いは塗布するだけで、絶縁膜と検体液の界面に電荷の分離が発生し、検体液に含まれる電解効果の大きな無機イオンあるいは抗抗体などの成分を検出することができるので、１〜１０μＬの極微量な検体液で測定を行うことができ、測定前に特別な前処理等を行う必要もないので、検体液の採取や取り扱いが容易で作業性に優れる。
（４）構造が簡単な電極対を半導体作製技術によって基板上に高密度に集積させることができ、小型化が容易で量産性に優れ、電気回路や半導体集積回路などに容易に組み込むことができ、検出した化学的な情報を電気信号として短時間で処理することができ、高度で複雑な分析が可能な検知システムを構築することもできる。
【０００９】
ここで、絶縁膜の表面に検体液を滴下或いは塗布する等して接触させると、絶縁膜と検体液の界面に電荷の分離が生じ、溶液側と絶縁膜側は等しい数の極性の異なる電荷で帯電状態になる。その結果、絶縁膜が誘導分極し、電極間と接している絶縁膜内側にも電荷が生じる。電極間に電圧を負荷させると、この電荷が電子の流れを加速するため、電極間の電流値や電圧値に変化が生じる。検体液中に含まれる無機イオンあるいは抗抗体などの成分は、この誘導分極効果が大きいため、成分濃度に比例した電流値や電圧値の変化を検出することができる。
【００１０】
基板の材質としては分析する検体液によって侵されず、基板上に電極対及び絶縁膜を形成することができ、電極対を電気的に絶縁できるものであればよく、例えば、各種の合成樹脂、ガラス、セラミックスなどが好適に用いられる。特にガラス等の透明な材質を用いた場合は、顕微鏡などによる検体液の観察も行うことができ汎用性に優れる。また、基板の形状は、矩形状、多角形状、円盤状などの種々な形状に形成することができる。
電極の素材としては、例えばＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ等の金属、ステンレス等の合金などを採用することができる。電極は、基板上に化学蒸着して形成してもよいし、あらかじめ基板上に作成した金属薄膜をドライエッチングやウエットエッチングでパターニングして形成してもよい。また、電極対の各々の電極は同種の金属を用いてもよいし、異種金属を組み合わせてもよい。尚、ガラス基板にＣｒを蒸着した上からＡｕ電極を形成することにより、Ｃｒがバインダとなって密着性を向上させることができる。
【００１１】
尚、１枚の基板上には１乃至複数の電極対を形成することがき、その配置は任意に選択することができる。また、電極対の各々の電極の形状は限定されるものではないが、三角形状、矩形状、半円形状等に形成することができる。また、電極対は非対称であっても、大きさが異なっていてもよく、辺部同士が対向するように配置される。
対向する２つの電極の辺部間の間隔は、検体液や電極の種類などにもよるが、５μm〜１０ｍｍ、好ましくは１０μm〜５ｍｍの範囲とすることが好ましい。辺部間の間隔が１０μmより狭くなるにつれ、検体液中の成分濃度に対する電流値等の電気特性の相関が小さくなり、応答感度が低下する傾向が見られ、間隔が５ｍｍより広くなるにつれ、検出感度が低下し易くなり、データの再現性に欠ける傾向が見られるためである。特に電極の辺部間の間隔が５μmより狭くなるか１０ｍｍより広くなるにつれ、信号ノイズが大きくなり、電流値や電圧値の変化を正確に検出することが困難になる傾向があり、いずれも好ましくない。
【００１２】
絶縁膜は電極の機械強度を保持するため、基板全面を被覆することが好ましいが、少なくとも電極の表面を被覆していればよい。
絶縁膜は、有機溶剤にポリ塩化ビニル，エポキシ樹脂，フェノール樹脂等を主成分とするマトリックス材料を溶解して調製した原料溶液を、電極対が形成された基板の上にスピンコート等によって塗布・乾燥して製造することができる。絶縁膜の膜厚は材質によって異なるが、検体液と電極対の間を確実に絶縁でき、センサとしての応答性を保つことができる範囲で選択する必要がある。絶縁膜の膜厚が薄くなるにつれ、絶縁膜の効果が不十分となりセンサの感度が低下する傾向があり、厚くなるにつれ、検体液中の成分濃度が変化しても電圧値や電流値に変化が見られなくなりセンサの応答性が消失する傾向があり、いずれも好ましくない。例えば、フルオロオレフィンビニルエーテール重合体(分子量分布１００〜１０００)であれば０．２μｍ〜０．８μｍが好ましい。これらの樹脂による絶縁膜の厚みが平均０．２μｍ未満であると検体液と電極対の間を確実に絶縁できない恐れがある。また、平均０．８μｍを超えるとセンサとしての応答性が下がり実用的でない。
ノボラック系フェノール樹脂(分子量分布１０００〜１００００))、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリイミド樹脂であれば、５μｍ〜２０μｍが好ましい。これらの樹脂による絶縁膜の厚みが平均５μｍ未満であると検体液と電極対の間を確実に絶縁できない恐れがある。また、平均２０μｍを超えるとセンサとしての応答性が下がり実用的でない。
【００１３】
絶縁膜を構成する樹脂にフラーレン又はフラーレン誘導体を含有させると、絶縁膜の誘電率が減少するとともに、表面電荷の分布が平均化するので、センサの絶縁膜の持つ部分的な歪みや厚さのバラツキに起因する検出電圧のバラツキを抑え、再現性よく精度の高い測定ができるようになる。
【００１４】
フラーレンは炭素原子が２０個以上結合してできた球状の閉殻構造を有するカーボンクラスター分子の総称であり、Ｃ60のほかＣ20、Ｃ70、Ｃ82、Ｃ320など様々な大きさのフラーレンが知られており、レーザー法、アーク放電法、合成法などで製造されたものが使用できる。フラーレンの種類は特に限定しないが、現在Ｃ60が最もよく流通しており利用しやすく好ましい。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の溶液成分センサであって、前記絶縁膜が感応物質を分散保持している構成を有している。
この構成により、請求項１の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）電極の表面及び電極間の基板の表面が感応物質を分散保持した絶縁膜で被覆されていることにより、絶縁膜上に滴下した微量の検体液中に含まれる特定の成分が、絶縁膜の表面の感応物質と相互作用する場合、特定の成分の有無や量に応じて電極間の電位に変化が生ずるため、これを検出することで、複数成分が混合した検体液中の特定成分の有無等を短時間で精度よく検知することができる。
（２）電極表面が絶縁膜で被覆されていることにより、絶縁膜上に検体液を滴下或いは塗布するだけで、絶縁膜と検体液の界面に電荷の分離を生じ、その静電誘導効果によって絶縁膜を構成している分子に分極が生じる。分極による電荷の量は、感応物質と相互作用する検体液の特定の成分の濃度に大きく依存し電気的に検知できるので、１〜１０μＬの極微量な検体液で測定を行うことができ、測定前に特別な前処理等を行う必要もないので、検体液の採取や取り扱いが容易で作業性に優れる。
【００１６】
ここで、絶縁膜の表面に検体液を滴下或いは塗布する等して接触させると、絶縁膜と検体液の界面に電荷の分離が生じ、電気二重層を形成し、溶液側と絶縁膜側は等しい数の極性の異なる電荷で帯電状態になる。その結果、絶縁膜が誘導分極し、電極間と接している絶縁膜内側にも電荷が生じる。この電荷の量は感応物質と相互作用する検体液の特定の成分の濃度に依存するので、電極間に電圧を負荷するか電流を流すと、電極間の電流値や電圧値に変化が生じる。これを検知することで検体液中に含まれる特定の成分の有無や濃度を検知することができる。
また、シリカゲル，チタニア，アルミナ，硫化カドミウム，酸化鉛等の無機多孔質担体あるいは微粒子担体、ゼオライト，モンモリロナイト等の合成あるいは天然鉱物粒子、カーボンブラック，活性炭，炭素繊維，カーボンナノチューブ等の炭素材料を主成分とした多孔質担体あるいは微粒子担体、金，銀，銅，白金，パラジウム，鉄，コバルト，ニッケル等の金属微粒子あるいはコロイド分散液、ポリスチレン，ポリプロピレン，ポリエチレン，木材，紙，布等の有機高分子材料からなる多孔質担体あるいは微粒子担体等に感応物質を担持させ、該有機剤に多孔体を分散させフラーレンまたはフラーレン誘導体の微粒子を分散させた原料溶液を、電極対が形成された基板の上にスピンコート等によって塗布・乾燥して製造することができる。さらに前記多孔質担体とフラーレンまたはフラーレン誘導体の微粒子を予め分散させた原料用液を、電極対が形成された基板の上にスピンコート等によって塗布・乾燥させ、その膜表面に感応物質を溶解させた溶液を滴下させることで、感応物質をセンサ上に吸着担持させることができる。
【００１７】
感応物質としては、検体液の特定成分と相互作用を生じるものであれば特に制限なく用いることができ、錯体形成化合物、ホスト化合物、酵素、抗体、抗原、カロチン、ポリフェノール等の活性酸素スカベンジャー類、タンパク質、ＤＮＡ、ＲＮＡ、糖鎖、糖脂質等を用いることができる。
錯体形成化合物としては、例えば、金属イオンと錯体を形成するポルフィリン類，ＥＤＴＡ(エチレンジアミン三酢酸)ならびにその誘導体，ＮＴＡ(ニトリロ三酢酸)ならびにその誘導体等に代表される金属キレーター類、Bis(benzo-15-crown-5)，Bis(12-crown-4)， Dibenzyl-bis(12-crown-4)等カリウム，ナトリウム，カルシウム，リチウム等の金属イオンと錯体を形成するクラウンエーテル誘導体、酸化ストレス物質と関連し体内で発生する一酸化窒素と錯体を形成するＤＴＣＳ Ｎａ（N-(Dithocarboxy)sarcosine, disodium salt, dihydrate）の鉄錯体やＭＧＤ（N-(Dithocarbamoyl)-N-metyl-D-glucamine, disodium salt）の鉄錯体等が用いられる。
ホスト化合物としては、例えば、バリノマイシン，モネンシン，ラサロシド，サリノマイシン等のイオノフォア抗生物質、シクロデキストリン、カリックスアレーン等のゲストと包接化合物を形成する各種ホスト化合物、ビオチン分子と選択的に結合するアビジン等の抗体蛋白質、ＤＮＡやＲＮＡの塩基配列に補完的に水素結合するＤＮＡ断片、ＲＮＡ断片ならびに糖鎖が用いられる。さらに構造中にマクロポアあるいはミクロポアを持つゼオライト類，アルミナ，チタニア，シリカ等の合成段階の前駆体溶液に、界面活性剤ミセルや有機微粒子を混入させ、過熱・固体化段階でこれを分解させ、その混入粒子のサイズによって微細孔を形成させる等の分子鋳型手法で調整した無機材料、活性炭類，カーボンナノチューブ類を用い、その分子篩効果を利用して細孔サイズ以下の分子のみを選択的に吸着させるホスト機能を有する材料でもよい。
酵素としては、アルコールオキシダーゼ，ＬＤＨ，Ｇ−６−ＰＤＨ，ＧＯＤ，ウリカーゼ，カタラーゼ，ペルオキシダーゼ等の酸化還元酵素、ＧＯＴ，ＧＰＴ，ＣＰＫ等の転移酵素、リパーゼ，アミラーゼ，キモトリプシン，トロンビン，ウレアーゼ，アルギナーゼ，コレステロールエステラーゼ等の加水分解酵素、アルドラーゼ等の分解酵素、ホスホヘキソースイソメラーゼ等の異性化酵素、アセチル−ＣｏＡ−シンセターゼ等の合成酵素等を用いることができる。
抗体や抗原としては、例えば、梅毒センサ用のトレポネーマや擬似脂質抗原、血液型センサ用の血液型決定物質、抗免疫グロブリンＧ，Ａ，Ｍ，Ｅ抗体、癌センサ用のＡＦＰ抗体等、ビオチン分子と選択的に結合するアビジン等の抗体蛋白質を用いることができる。
【００１８】
絶縁膜中に分散保持する感応物質は、感応物質が絶縁膜の有機溶剤に溶解しない物質（微粒子状態で絶縁膜中に分散）の場合は、絶縁膜の原料溶液中１〜５０ｗｔ％の範囲が望ましい。感応物質が１ｗｔ％未満では、検体液の特定成分との相互作用の検出が困難になる不都合が生じ、５０ｗｔ％を超えると絶縁膜の機械的強度が低下するため、いずれも好ましくない。
また、感応物質が絶縁膜の有機溶剤に溶解する物質（均一に絶縁膜中に分散）の場合は、絶縁膜の原料溶液中０．１〜２５ｗｔ％の範囲が望ましい。感応物質が０．１ｗｔ％未満では、検体液の特定成分との相互作用の検出が困難になる不都合が生じ、２５ｗｔ％を超えるとセンサの応答感度が低下し検体液中の特定成分の有無や濃度の検出が困難になる不都合が生じるため、いずれも好ましくない。
【００１９】
本発明の溶液成分センサは、検体液の特定成分の有無や濃度の検知、例えば、化学センサやバイオセンサ等として利用される。測定対象としては、例えば、Ｎａ+、Ｋ+、Ｃａ2+、Ｍｇ2+、Ａｌ3+、Ｆｅ2+、Ｆｅ3+、Ｃｌ-、ＮＯ2-、ＮＯ3-、ＳＯ42-、ＮＨ4+、ＰＯ43-等のイオン、グルコース等の糖、コレステロール，中性脂質等の脂質、フェニルアラニン，ロイシン等のアミノ酸、アルブミン等のタンパク質、インスリン，ＴＳＨ等のホルモン、免疫グロブリン等の抗体、抗原、ビタミン、体内の代謝経路で生産される一酸化窒素（ＲＮＯＳ）、ヒドロキシラジカル，スーパーオキシド，過酸化脂質等に代表される活性酸素（ＲＯＳ）類等の酸化ストレス物質等を挙げることができる。血液，リンパ液，尿，汗，唾液等の体液に含有されるこれらの成分の検知も行うことができる。
【００２０】
多孔体は、平均粒径が１〜３０μｍのものが好適に用いられる。多孔体の平均粒径が１μｍより小さくなると凝集し易く取扱性に欠け、３０μｍより大きくなると膜厚の薄い絶縁膜に保持するのが困難になり脱落し易くなるからである。
多孔体の添加量は、絶縁膜の原料溶液に対して１〜５０ｗｔ％の範囲が望ましい。１ｗｔ％未満では検体液の特定成分との相互作用の検出が困難になる不都合が生じ、５０ｗｔ％を超えると絶縁膜の機械的強度が低下するため、いずれも好ましくない。
多孔体の細孔の表面はアミノ基、カルボキシル基、水酸基、ケトン基、アセチル基、炭化水素鎖等の官能基や、アミド化、スルホン化、ニトリル化、エステル化、トリメチルシリル化、オクチル化、オクタデシル化、アミノプロピル化、シアノプロピル化等により化学修飾することができるが、これらに限定されるものではない。検体液中の対象成分や多孔体の種類に応じて適宜選択することができる。
化学修飾する方法としては、多孔体をテトラクロロエタン中で硫酸と反応させることによりスルホン化する方法、ブチルアミンやプロピルアミン等を用いて脱水トルエン中でアミド化する方法、塩化バレロイル等を用い脱水トルエン中でエステル化する方法、鍍金、化学蒸着あるいはスパッタリング等の方法でコーティングさせ、これにチオールあるいはニトリロ三酢酸（ＮＴＡ）等の誘導体を溶解させた溶液に含浸させて金属表面に化学吸着あるいは錯体を形成する性質を利用して分子を配向させる自己組織化膜法等を用いることができる。
【００２１】
感応物質を多孔体に担持させるには、感応物質を水やエタノール等の適当な溶媒に溶解させ、これに多孔体を混合し含浸させればよい。多孔体の表面に感応物質を物理吸着させることができるし化学吸着させてもよい。
【００２２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の溶液成分センサであって、前記絶縁膜中のフラーレン又はフラーレン誘導体の濃度が０．０１ｇ／ｃｍ3〜０．０７ｇ／ｃｍ3である構成を有している。
この構成により、請求項１又は２の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）フラーレン又はフラーレン誘導体が絶縁膜中に適量含有されていることにより、絶縁膜の誘電率の低下によりセンサ電圧が適正なレンジ範囲で検出され、絶縁膜の表面電荷の平均化により絶縁膜の持つ部分的な歪みや厚さのバラツキに起因する検出電圧のバラツキを抑え、データの精度と再現性をさらに高める。
【００２３】
ここで絶縁膜中のフラーレン又はフラーレン誘導体の濃度は０．０１ｇ／ｃｍ3〜０．０７ｇ／ｃｍ3が好ましい。０．０１ｇ／ｃｍ3よりも低い濃度ではフラーレンを含有させることによる検出電圧のバラツキを抑える効果が小さく、好ましくない。また０．０７ｇ／ｃｍ3よりも高い濃度では絶縁膜の均一性が低下して膜形状が安定せず信号測定が困難となり好ましくない。
【００２４】
請求項４に記載の溶液成分センサの製造方法は、フラーレン又はフラーレン誘導体を合成樹脂に混合してフラーレン含有合成樹脂液を調製する合成樹脂液調製工程と、基板上に所定間隔を置いて配置された電極対の表面及び前記電極対間の前記基板の表面に前記フラーレン含有合成樹脂液を塗布して絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程を有する構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）フラーレン又はフラーレン誘導体が合成樹脂に混合されるので絶縁膜中に均一に含有され、絶縁膜の部分によるバラツキを抑えることができるので、同一の基板上に複数のセンサを備えていてもセンサ間の検出電圧のバラツキの少ない、再現性のよいデータを得られる溶液成分センサが製造できる。
（２）複数のセンサ間のバラツキが少ないので、既存の半導体製造技術を利用して製造することができるとともに、量産性に優れ、信頼性、作業性に優れた溶液成分センサが製造できる。
【００２５】
ここでフラーレンを合成樹脂に混合する方法には、粉体のまま樹脂に混錬する方法や溶媒に予め溶解して添加する方法が使用できる。フラーレンを溶解する有機溶媒としては、特に限定しないがジクロロベンゼン、クロロベンゼン、トリクロロベンゼン、ジオキサン、トルエン、四塩化炭素、二硫化炭素、ベンゼン、クロロナフタレンなどを用いることができる。発明者の知見によるとフラーレンを予め溶解して合成樹脂に添加した場合、合成樹脂を溶解している溶媒によってフラーレンは以下の2通りの挙動を示す。
（１）合成樹脂を溶解している溶媒に対するフラーレンの溶解度が高い場合。
合成樹脂液との添加混合過程や樹脂溶液が塗布され乾燥して溶媒が蒸発する過程において、フラーレンの微粒子が析出することなく合成樹脂中に均一に分散したまま固化する。
（２）合成樹脂を溶解している溶媒に対するフラーレンの溶解度が低い場合。
合成樹脂液に添加混合すると、合成樹脂液中でフラーレンが主として１〜５μｍの微粒子として析出し、均一に分散する。樹脂と共に塗布され、均一分散したまま乾燥する。
（１）、（２）のいずれの場合も本願のセンサの機能としては差が認められなかった。
【００２６】
合成樹脂としては前述のフルオロオレフィンビニルエーテル重合体やノボラック系フェノール樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂等が好適に用いられる。
合成樹脂を溶解する溶媒とフラーレンを溶解する有機溶媒が異なる場合には両者を添加混合する合成樹脂液調製工程で合成樹脂が不均一に析出しないことが好ましい。両者を添加混合して合成樹脂が不均一に析出する場合には均一に形成された絶縁膜とならない恐れがあるためである。
フラーレン含有合成樹脂液液の塗布方法は特に限定しないが、ロール法、スピンコート法、インクジェット法やスプレーによる吹きつけなどが使用できる。またディップコーティングで塗布したり、基板上に滴下した溶液をそのまま乾燥・固化させてもよい。
【００２７】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の溶液成分センサの製造方法であって、前記合成樹脂液調製工程において、フラーレン又はフラーレン誘導体を溶媒に溶解し不溶成分を分離除去する工程を有する構成を有している。
この構成により、請求項４の作用に加えて以下のような作用を有する。
（１）溶媒に不溶性のフラーレン成分が分離されることで、絶縁膜中のフラーレン又はフラーレン誘導体の分布がより均一となり、より検出電圧のバラツキの少ない、再現性のよいデータを得られる溶液成分センサが製造できる。
【００２８】
ここでフラーレンを溶解する溶媒としては、特に限定しないがジクロロベンゼン、クロロベンゼン、トリクロロベンゼン、ジオキサン、トルエン、四塩化炭素、二硫化炭素、ベンゼン、クロロナフタレンなどを用いることができる。
溶媒に溶けなかったフラーレンの不溶成分の分離には限外ろ過による方法、遠心分離により不溶成分を沈降させて上清と分ける方法などが使用できる。
【００２９】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の溶液成分センサの製造方法であって、前記合成樹脂液調製工程において、感応物質を前記フラーレン含有合成樹脂液に溶解または分散させる工程を有する構成を有している。
この構成により、請求項４又は５の作用に加えて以下のような作用を有する。
（１）感応物質が絶縁膜に含まれているので、検体液中の特定物質を非常に高感度で再現性よく検出できる溶液成分センサが製造できる。
【００３０】
ここで感応物質は直接添加または、溶媒などに分散あるいは溶解してから添加することができる。
【発明の効果】
【００３１】
以上のように、本発明の溶液成分センサとその製造方法によれば、以下のような有利な効果が得られる。
請求項1に記載の発明によれば、
（１）フラーレン又はフラーレン誘導体が絶縁膜中に含有されていることにより、絶縁膜の誘電率が低下するとともに、絶縁膜の表面電荷が平均化され、絶縁膜の持つ部分的な歪みや厚さのバラツキに起因する検出電圧のバラツキを抑え、データの精度と再現性がさらに高い溶液成分センサを提供することができる。
（２）電極の表面及び電極間の基板の表面がフラーレン又はフラーレン誘導体を含有する絶縁膜で被覆されていることにより、絶縁膜上に滴下した微量の血液、リンパ液、細胞質基質などの体液を含む検体液中に含まれる成分の量に応じて変化する絶縁膜表面の静電分極量を電極間の電圧値又は電流値として短時間で、従来法より精度よく、検出することができる溶液成分センサを提供することができる。
（３）電極表面が絶縁膜で被覆されていることにより、絶縁膜上に検体液を滴下或いは塗布するだけで、絶縁膜と検体液の界面に電荷の分離が発生し、検体液に含まれる電解効果の大きな無機イオンあるいは抗抗体などの成分を検出することができるので、１〜１０μＬの極微量な検体液で測定を行うことができ、測定前に特別な前処理等を行う必要もないので、検体液の採取や取り扱いが容易で作業性に優れる溶液成分センサを提供することができる。
（４）構造が簡単な電極対を半導体作製技術によって基板上に高密度に集積させることができ、小型化が容易で量産性に優れ、電気回路や半導体集積回路などに容易に組み込むことができ、検出した化学的な情報を電気信号として短時間で処理することができ、高度で複雑な分析が可能な検知システムを構築することもできる溶液成分センサを提供することができる。
【００３２】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加え、
（１）電極の表面及び電極間の基板の表面が感応物質を分散保持した絶縁膜で被覆されていることにより、絶縁膜上に滴下した微量の検体液中に含まれる特定の成分が、絶縁膜の表面の感応物質と相互作用する場合、特定の成分の有無や量に応じて電極間の電位に変化が生ずるため、これを検出することで、複数成分が混合した検体液中の特定成分の有無等を短時間で精度よく検知することができる選択性に優れた溶液成分センサを提供することができる。
（２）電極表面が絶縁膜で被覆されていることにより、絶縁膜上に検体液を滴下或いは塗布するだけで、絶縁膜と検体液の界面に電荷の分離を生じ、その静電誘導効果によって絶縁膜を構成している分子に分極が生じる。分極による電荷の量は、感応物質と相互作用する検体液の特定の成分の濃度に大きく依存し電気的に検知できるので、１〜１０μＬの極微量な検体液で測定を行うことができ、測定前に特別な前処理等を行う必要もないので、検体液の採取や取り扱いが容易で作業性に優れた溶液成分センサを提供することができる。
【００３３】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２の効果に加え、
（１）フラーレンが絶縁膜中に適量含有されていることにより、絶縁膜の誘電率の低下と絶縁膜の表面電荷の平均化により検出感度の鋭敏さが緩和されると共に平均化され、絶縁膜の持つ部分的な歪みや厚さのバラツキに起因する検出電圧のバラツキを抑え、データの精度と再現性がさらに高い溶液成分センサを提供することができる。
【００３４】
請求項４に記載の発明によれば、
（１）フラーレンが合成樹脂に混合されるので、絶縁膜中に均一に含有され、絶縁膜の部分によるバラツキを抑えることができるので、同一の基板上に複数のセンサを備えていてもセンサ間の検出電圧のバラツキの少なく、再現性のよいデータを得られる溶液成分センサの製造方法を提供することができる。
（２）複数のセンサ間のバラツキが少ないので、既存の半導体製造技術を利用して製造することができるとともに、量産性に優れ、信頼性、作業性に優れた溶液成分センサの製造方法を提供することができる。
【００３５】
請求項５に記載の発明によれば、請求項４の効果に加え、
（１）溶媒に不溶性のフラーレン成分が分離されることで、絶縁膜中のフラーレンの分布がより均一となり、より検出電圧のバラツキの少ない、再現性のよいデータを得られる溶液成分センサの製造方法を提供することができる。
【００３６】
請求項６に記載の発明によれば、請求項４又は５の効果に加え、
（１）感応物質が絶縁膜に含まれているので、検体液中の特定物質を非常に高感度で再現性よく検出できる溶液成分センサの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】（ａ）実施の形態１における溶液成分センサを示す平面図 （ｂ）図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面模式図
【図２】実施の形態１における溶液成分センサの使用状態を示す断面模式図
【図３】実施の形態２における溶液成分センサの断面模式図
【図４】実施の形態２における溶液成分センサの使用状態を示す断面模式図
【図５】実施の形態３における溶液成分センサの断面模式図
【図６】複数のセンサ部分を同一基板上に設けた溶液成分センサの模式図
【図７】実施例１のナトリウム濃度とＮａ検出電圧の関係を示す図
【図８】実施例２のナトリウム濃度とＮａ検出電圧の関係を示す図
【図９】比較例１のナトリウム濃度とＮａ検出電圧の関係を示す図
【図１０】実施例３の絶縁膜中のフラーレン濃度とＮａ検出電圧との関係を示す図
【図１１】実施例２の検体液の抗ＩｇＧの濃度と検出電圧の関係を示す図
【図１２】比較例２の検体液の抗ＩｇＧの濃度と検出電圧の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）は実施の形態１における溶液成分センサを示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面模式図である。
図１中、１は本発明の実施の形態１における溶液成分センサ、２は各種の合成樹脂、ガラス、セラミックスなどで形成した溶液成分センサ１の基板、３は基板２の上面に略半円形状の２つの電極４が辺部４ａ同士で対向するように離間して配置された溶液成分センサ１の電極対、４ｂは各々の電極４の円弧状の側部に延設された電極対３の端子部、５は電極対３を含んで基板２の全面を被覆したフルオロオレフィンビニルエーテル重合体やノボラック系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂などからなるフラーレンを含有した絶縁膜、６は端子部４ｂで電極対３に電気的に接続され、電極４間の電圧値や電流値等を検出するデジタルマルチメータなどの検出部、７は検出部６に接続され検出部６が検出した検出データに基づいて検体液に含まれる特定の成分の量を検知して特定の成分の有無や濃度を判定する判定部である。
【００３９】
図１において、基板２の材質は、本実施の形態に限定されるものではなく、分析する検体液によって侵されず、基板２上に電極対３及び絶縁膜５を形成することができ、電極対３を電気的に絶縁できるものであればよい。特にガラス等の透明な材質を用いた場合は、顕微鏡などによる検体液の観察も行うことができ汎用性に優れる。また、基板２の形状は、矩形状以外に多角形状、円盤状などの種々な形状に形成することができる。
本実施の形態では、基板２にＣｒを蒸着した上からＡｕの電極４を形成することにより、Ｃｒをバインダとして電極４と基板２の密着性を向上させている。
【００４０】
対向する２つの電極４の辺部４ａ間の間隔は、検体液や電極４の種類などにもよるが、１μm〜１０ｍｍの範囲に形成した。辺部４ａ間の間隔が１μmより狭くなるにつれ、検体液中の成分の濃度に対する電流値等の電気特性の相関が小さくなり、応答感度が低下し易くなる傾向があり、間隔が１０ｍｍより長くなるにつれ、検出感度が低下し易くなり、データの再現性に欠ける傾向があることがわかったためである。
【００４１】
本実施の形態では、基板２の全面を絶縁膜５で被覆したが、絶縁膜５は少なくとも電極４の表面を被覆していればよい。
絶縁膜５の膜厚は材質によって異なるが、検体液と電極対３の間を確実に絶縁でき、センサとしての応答性を保つことができる範囲で選択する必要がある。絶縁膜５の膜厚が薄くなるにつれ、絶縁膜５の効果が不十分となりセンサの感度が低下する傾向があり、厚くなるにつれ、検体液中の特定の成分濃度が変化しても電圧値や電流値に変化が見られなくなりセンサの応答性が低下する傾向があることがわかったためである。例えば、フルオロオレフィンビニルエーテール重合体(分子量分布１００〜１０００)であれば０．２μｍ〜０．８μｍが好ましく、ノボラック系フェノール樹脂(分子量分布１０００〜１００００)、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリイミド系樹脂であれば、５μｍ〜２０μｍが好ましい。
【００４２】
以下、実施の形態１における溶液成分センサの動作原理について説明する。
図２は実施の形態１における溶液成分センサの使用状態を示す断面模式図である。
図２中、１０は電極対３上のフラーレンを溶解した絶縁膜５に滴下した検体液である。
フラーレンを含有した絶縁膜５の表面に検体液１０を滴下或いは塗布する等して接触させると、フラーレンを含有した絶縁膜５と検体液１０の界面に電荷の分離が生じ、溶液側と絶縁膜側は等しい数の極性の異なる電荷で帯電状態になる。その結果、絶縁膜が誘導分極し、電極間と接している絶縁膜内側にも電荷が生じる。電極間に電圧を負荷させると、この電荷が電子の流れを加速するため、電極間の電流値や電圧値に変化が生じる。検体液１０中に含まれる抗体、抗抗体やNaイオンなどの成分は、この誘導分極効果が大きいため、その濃度に比例した電流値や電圧値の変化を検出部６で検出することができる。
フラーレンを含有した絶縁膜５はフラーレンの電気特性により、膜面上の電荷の分布の局所的なバラツキを抑えられる。絶縁膜５はフラーレンにより誘電率を下げられ、膜の歪みや厚さの局所的バラツキに起因する測定電圧のバラツキが減少し、より再現性のよい測定が可能となる。
判定部７に予めその物質の濃度と電圧値若しくは電流値との関係を記憶させておき、その標準データと検出データ（測定データ）を比較することにより、確実かつ迅速な濃度の判定を行うことができる。
また、判定部７に記憶部を設けて検出データを継続的或いは定期的に記憶させておくことにより、検体の状態の変化や推移を管理することができ汎用性に優れる。
【００４３】
実施の形態１の溶液成分センサは以上のように構成されているので、以下の作用を有する。
（１）電極４の表面及び電極４間の基板２の表面が絶縁膜５で被覆されていることにより、絶縁膜５上に滴下した微量の検体液１０中に含まれる抗体、抗抗体やNaイオンなどの成分の量に応じて変化する電極４間の電圧値又は電流値を短時間で精度よく再現性よく検出することができ、検体の状態を簡便に判定することができる。
（２）構造が簡単な電極対３を半導体作製技術によって基板２上に高密度に集積させることができ、小型化が容易で量産性に優れ、電気回路や半導体集積回路などに容易に組み込むことができ、検出した化学的な情報を電気信号として短時間で処理することができ、高度で複雑な分析が可能な検知システムを構築することもできる。
（３）電極４表面がフラーレンを含有した絶縁膜５で被覆されていることにより、フラーレンを溶解した絶縁膜５上に検体液１０を滴下或いは塗布するだけで、絶縁膜５と検体液１０の界面に電荷の分離が発生し、帯電量が増加して誘導分極が起る。電極４と接しているフラーレンを溶解した絶縁膜５内側にも電荷が生じるため、電極４間に電圧を負荷させることにより、その電荷が電子の流れを加速して検体液１０に含まれる分極効果の大きな抗体、抗抗体やNaイオンなどの成分を検出することができるので、１〜１０μＬの極微量な検体液１０で測定を行うことができ、測定前に特別な前処理等を行う必要もないので、検体液１０の採取や取り扱いが容易で作業性に優れる。
（４）絶縁膜５上に検体液１０を滴下或は塗布する等して接触させると、絶縁膜５と検体液１０の界面に電荷の分離が生じるが、絶縁膜５を形成する有機薄膜層の表面には高分子末端あるいは分岐末端の化学構造に由来する各種官能基（カルボキシル基、ケトン基、水酸基、アミノ基、エーテル基等）ならびに極性基（フッ素、塩素、臭素等）が存在するため、この分極現象が大きく、溶液成分センサ１の応答性を向上させることができる。また検体液１０中の化学種によっては、有機薄膜表面の各種官能基と特異的な分極を生じるため、応答感度の高い溶液成分センサ１の作製が可能となる。
（５）フラーレンを含有した絶縁膜５はフラーレンの電気特性により、膜上の電荷の分布が平均化するので、膜の厚さのバラツキや歪みに起因する測定電圧のバラツキが抑えられ、再現性のよい応答感度の高い溶液成分センサ１の作製が可能となる。
（６）電極対３に接続された検出部６を備えているので、電極４間の電圧変化又は電流変化を簡便に検出することができ、その測定値に基づいて直ちに検体液１０中の成分濃度を求めることができる。
（７）検出部６が検出した検出データに基づいて検体液１０に含まれる成分の量を検知して状態を判定する判定部７を有するので、短時間で即座に検体液１０の状態を知ることができ、取扱い性に優れる。
【００４４】
（実施の形態２）
図３は実施の形態２における溶液成分センサを示す断面模式図である。
なお、実施の形態２における溶液成分センサと同様のものは、同じ符号を付して説明を省略する。
図中、１ａは実施の形態２における溶液成分センサ、５ａは絶縁膜５に分散保持された錯体形成化合物，ホスト化合物，酵素，抗体，抗原等の感応物質である。
また、基板２の表面に複数の電極対３を形成し、被覆する絶縁膜５に保持させた感応物質の種類を電極対３毎に異ならせておくこともできる。これにより、１枚の基板２で複数種の溶液成分を検知することができるため好ましい。
【００４５】
以下、実施の形態２における溶液成分センサの製造方法の一例を説明する。
有機溶剤にエポキシ樹脂，フェノール樹脂等を主成分とするマトリックス材料を溶解して調製した合成樹脂液に、フラーレン又はフラーレン誘導体を溶解したフラーレン液を混合し、フラーレン含有合成樹脂液を調製する。次いで錯体形成化合物，ホスト化合物，酵素，抗体，抗原等の感応物質５ａを前記フラーレン含有合成樹脂液に溶解又は分散させたフラーレン・感応物質含有合成樹脂液を調製する。このフラーレン・感応物質含有合成樹脂液を、電極対３が形成された基板２の上にスピンコート等によって薄く塗布し、乾燥することによって溶液成分センサ１ａを製造できる。
【００４６】
次に、実施の形態２における溶液成分センサの動作原理について説明する。
図４は実施の形態２における溶液成分センサの使用状態を示す断面模式図である。
図４中、１０は電極対３上の絶縁膜５に滴下した血液，リンパ液，細胞質基質等の検体液である。
絶縁膜５の表面に検体液１０を滴下或いは塗布する等して接触させると、絶縁膜５と検体液１０の界面に電荷の分離が生じ、電気二重層を形成し、検体液１０側と絶縁膜５側は等しい数の極性の異なる電荷で帯電状態になる。その結果、絶縁膜５が誘電分極し、電極４と接している絶縁膜５内側にも電荷が生じる。この電荷の量は絶縁膜５の表面に露出した感応物質５ａと相互作用する検体液１０の特定の成分の濃度に依存するので、電極４間に電圧を負荷するか電流を流すと、電極４間の電流値や電圧値に変化が生じる。これを検出部６で検出する。
【００４７】
実施の形態２の溶液成分センサは以上のように構成されているので、以下の作用を有する。
（１）電極４の表面及び電極４間の基板２の表面が感応物質５ａを分散保持した絶縁膜５で被覆されていることにより、絶縁膜５上に滴下した微量の検体液１０中に含まれる特定の成分が、絶縁膜５の表面の感応物質５ａと相互作用する場合、特定の成分の有無や量に応じて電極４間の電位に変化が生じるため、これを検出することで、複数成分が混合した検体液１０中の特定成分の有無等を短時間で精度よく検知することができる。
（２）電極４の表面が絶縁膜５で被覆されていることにより、絶縁膜５上に検体液１０を滴下或いは塗布するだけで、絶縁膜５と検体液１０の界面に電荷の分離を生じ電気二重層が形成される。電気二重層の電荷の量は、感応物質５ａと相互作用する検体液１０の特定の成分の濃度に大きく依存し電気的に検知できるので、１〜１０μＬの極微量な検体液１０で測定を行うことができ、測定前に特別な前処理等を行う必要もないので、検体液１０の採取や取り扱いが容易で作業性に優れる。
【００４８】
（実施の形態３）
図５は実施の形態３における溶液成分センサの断面模式図である。なお、実施の形態１又は実施の形態２における溶液成分センサと同様のものは、同じ符号を付して説明を省略する。
図中、１ｂは実施の形態３における溶液成分センサ、５ｂは絶縁膜５に分散保持され錯体形成化合物，ホスト化合物，酵素，抗体，抗原等の感応物質を担持したシリカゲル，活性炭，ゼオライト等の多孔体である。
なお、本実施の形態においては、平均粒径１〜３０μｍの多孔体を用いている。
【００４９】
以下、実施の形態３における溶液成分センサの製造方法の一例を説明する。
まず、有機溶剤にエポキシ樹脂，フェノール樹脂等を主成分とするマトリックス材料を溶解して調製した合成樹脂液と、フラーレン又はフラーレン誘導体を溶解して調製したフラーレン溶解液とを混合し、フラーレン含有合成樹脂液とする。次いでフラーレン含有合成樹脂液に多孔体５ｂを分散させてフラーレン・多孔体含有合成樹脂液を調製する。このフラーレン・多孔体含有合成樹脂液を、電極対３が形成された基板２の上にスピンコート等によって約０．５μｍの厚さに塗布し乾燥することによって、絶縁膜５の表面に多孔体５ｂの一部が露出した構造を形成させる。
次に、錯体化合物、ホスト化合物、酵素、抗体、抗原等の感応物質を水やエタノール等の適当な溶媒に溶解させ、溶液成分センサ１ｂの表面に滴下し吸着させる。これを洗浄、乾燥して、感応物質を担持させた多孔体５ｂを表面に保持した溶液成分センサ１ｂを製造できる。
【００５０】
実施の形態３における溶液成分センサの動作原理は、実施の形態２で説明したものと同様なので、説明を省略する。
【００５１】
以上のように構成された実施の形態３における溶液分析センサによれば、実施の形態１又は２の作用に加え、以下のような作用が得られる。
（１）感応物質が多孔体５ｂに担持され絶縁膜５に分散保持されているので、感応物質を多孔体５ｂに担持させることができればどのような感応物質でも絶縁膜５に分散保持させることができ自在性に優れる。
（２）細孔の表面を化学修飾した多孔体に感応物質を担持させ、該多孔体を絶縁膜５に分散保持させると、多孔体の担持能を高められるため絶縁膜を検体液等に接触させたときに多孔体から感応物質を溶出し難くすることができる。このため、検体液の成分を繰り返し測定しても絶縁膜内の感応物質が減少し難いため、絶縁膜の感度を持続させ耐久性を高めることができる。
（３）また、表面が化学修飾された細孔によって、多孔体に担持された感応物質に加え、検体液中の成分との相互作用（例えば水素結合相互作用や静電相互作用）を利用し絶縁膜の分極現象を大きくすることができ、検出感度をさらに向上させることができる。
【００５２】
図１〜５では、説明の都合上、一対の電極対３のみを図示したが、実施の形態１乃至３のいずれにおいても基板２上には１乃至複数の電極対３を形成することがき、その配置は任意に選択することができる。また、電極対の各々の電極の形状は限定されるものではないが、三角形状、矩形状、半円形状等に形成することができる。尚、電極対は非対称であっても、大きさが異なっていてもよく、辺部同士が対向するように配置される。また、本実施の形態では各々の電極４の側部から延設された２本の端子部４ｂを略Ｌ字型に形成し、基板２の一端部から取り出したが、これに限定されるものではなく、端子部４ｂの取り出し位置や取り出し方向は任意に選択することができる。
１枚の基板に５対の電極対３を作成した場合について図６に示す。幅２０ｍｍ×長さ２０ｍｍ×厚さ１ｍｍのガラスの基板２に３ｍｍ径の半月型電極対３を５個設け、各々端子部４ｂと結合させている。
【実施例１】
【００５３】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
まず、実施の形態１で説明した溶液成分センサ１について、溶液中の成分の検出能力について実験を行った。
溶液成分センサ１の基板２は１ｍｍ厚のガラス基板とし、半円形状の電極４を２ｍｍ離間させて対向配置した略円形状の電極対３の直径は３ｍｍとした。電極４はスパッタリング法にてＣｒ層０．１μm、Ａｕ層１μmを積層させ、フォトリソグラフィー法にてパターニングした。ガラス基板上にこのような電極対３を５対配置した。
フラーレン（フロンティアカーボン（株）製 ｎａｎｏｍ ｐｕｒｐｌｅ）２０ｍｇをジクロロベンゼン（和光純薬製）５００μＬに溶解した。この液をジクロロベンゼンに溶解したポリイミド系樹脂とフラーレン溶解液の体積比が１：１となるように混合し、フラーレン含有合成樹脂液を調製した。
次いで、スピンコーティング法によって基板２の全面をフラーレン含有合成樹脂液で被覆し、厚さ１０μｍのフラーレンを含む絶縁膜５を得た。
このフラーレンを含む絶縁膜５の表面に検体液１０としてリン酸緩衝生理食塩水液（ＮａＣｌ ８．０ｇ／Ｌ ｐＨ７．２〜７．４）（以下これを濃度1のＰＢＳと略す。）を各々２μＬ各々のセンサ電極対に滴下した。このＰＢＳのナトリウムの濃度に対し、検出部６で検出される電極４間の電圧値をＮａ検出電圧として測定した。さらに濃度０．２及び濃度２．３のＰＢＳについて、同様にしてＮａ検出電圧を測定した。
【実施例２】
【００５４】
フラーレン（フロンティアカーボン（株）製 ｎａｎｏｍ ｐｕｒｐｌｅ）２０ｍｇをジクロロベンゼン（和光純薬製）５００μＬに溶解した後、孔径０．１μｍのスピンカラムを使ってフラーレンの不溶成分を除いて使用した以外は実施例１と同様にして溶液成分センサを作成し、実施例１と同様の測定をした。
【００５５】
（比較例１）
絶縁膜５にフラーレンを含ませずジクロロベンゼンに溶解したポリイミド系樹脂で作成した以外は実施例１と同様にして、溶液成分を作成し、測定をした。
【００５６】
図７は実施例１のＮａ濃度とＮａ検出電圧との関係を示す図である。
図８は実施例２のＮａ濃度とＮａ検出電圧との関係を示す図である。
図９は絶縁膜がフラーレンを含まない場合（比較例１）のナトリウム濃度とＮａ検出電圧との関係を示す図である。
絶縁膜がフラーレンを含有しない場合（図９）に比べて、図７、図８に示す実施例１，２のフラーレンを含有した絶縁膜ではガラス基板上に配置した５つのセンサ部のＮａ検出電圧のバラツキが小さくなり、精度の高い測定ができていることが示された。
また図８から、フラーレンの不溶成分を除去することでさらにバラツキが小さくなり、精度の高い測定ができることが示された。
【実施例３】
【００５７】
次にフラーレンの絶縁膜中の濃度を変えた以外は実施例１と同様にして溶液成分センサを作成して、濃度１のＰＢＳを使ってＮａ検出電圧を測定した。結果を図１０に示す。
図１０よりフラーレン濃度を上げるにつれ検出電圧のバラツキが減っていくことが示された。しかし０．０７ｇ／ｃｍ3を超えると検出電圧のバラツキが大きくなってしまった。
これは樹脂膜が乾燥するときにフラーレン濃度が高いと膜としての形状を保つことができず、測定が困難なセンサ部分が生じてしまうことが原因である。
よって絶縁膜中のフラーレンの濃度は０．０１〜０．０７ｇ／ｃｍ3が好ましい。
【実施例４】
【００５８】
次に合成樹脂としてポリ塩化ビニルを使用した以外は実施例１と同様にして溶液成分センサを作成して、濃度１のＰＢＳを使ってＮａ検出電圧を測定した。
【００５９】
（比較例２）
次に合成樹脂としてポリ塩化ビニルを使用した以外は比較例１と同様にして溶液成分センサを作成して、濃度１のＰＢＳを使ってＮａ検出電圧を測定した。
【００６０】
（比較例３）
実施例３のフラーレンを（Ａ）酸化物系粒子であるチタニア、リチウムアルミネート、酸化ニッケル、酸化亜鉛、シリカゲル、（Ｂ）金属系粒子である塩化パラジウム、ニッケル、（Ｃ）炭素系粒子である単層カーボンナノチューブ、カードラン、多層カーボンナノチューブに変えて同様に測定した。使用量は実施例１のフラーレンと同じ２０ｍｇである。
【００６１】
実施例４と比較例２及び比較例３の結果を表１に示す。平均電圧が低いほど測定範囲が広がる。またＣＶ値が低いほど測定値のバラツキが小さいことを表す。粒子を何も加えなかったコントロールと比較すると他の酸化物系粒子や金属系粒子、炭素系粒子に比べてフラーレンが平均電圧を下げなおかつバラツキを抑える効果が高いことが示された。
【００６２】
【表１】
【実施例５】
【００６３】
実施例４と同様に溶液成分センサの基板と電極を準備した。
フラーレン（フロンティアカーボン（株）製 ｎａｎｏｍ ｐｕｒｐｌｅ）２０ｍｇをジクロロベンゼン（和光純薬製）５００μＬに溶解し、孔径０．１μｍの遠心式限外ろ過フィルターユニットを使ってフラーレンの不溶成分を除いた。テトラヒドロフランに溶解したポリ塩化ビニル樹脂液と不溶成分を除いたフラーレン溶液の体積比が１：１となるように混合し、フラーレン含有合成樹脂液を調製した。テトラヒドロフランにフラーレンは溶解しないので、混合するとフラーレンが析出し微粒子となって分散したフラーレン含有合成樹脂液となった。このフラーレン含有樹脂液に、多孔体としてシリカゲル（和光純薬（株）製）を２０ｍｇ／ｍＬとなるように添加しフラーレン・多孔体含有合成樹脂液を得た。
次いで、スピンコーティング法によって基板２の全面をフラーレン・多孔体含有合成樹脂液で被覆し、表面にシリカゲルを露出した厚さ２０μｍのフラーレンを含有した絶縁膜５を得た。
マウスのＩｇＧ抗体（シグマ社製）を１００μｇ／ｍＬとなるようにＰＢＳ（１倍濃度）で希釈する。これを各センサ表面に５μＬずつ滴下し、絶縁膜表面に露出したシリカゲルに吸着させる。５分間室温で放置した後、エアーブロー処理により液を吹き飛ばし、蒸留水を各センサ表面に１５μＬずつ滴下し、吸着しなかったＩｇＧ抗体を洗浄する。５分間室温で放置した後、エアーブロー処理により液を吹き飛ばし、ＩｇＧを感応物質として担持したシリカゲルを表面に露出した絶縁膜を持つ溶液成分センサを得た。
抗マウスＩｇＧ抗体（抗抗体）（ＤＡＫＯ社製）を５倍濃度のＰＢＳによって希釈し、濃度０．５μｇ／ｍＬ、１μｇ／ｍＬ、４μｇ／ｍＬ、７μｇ／ｍＬ、１０μｇ／ｍＬの抗抗体液を調製する。
この抗抗体液を検体液とする。電極対３の表面に、まず０．２倍濃度のＰＢＳを４μＬずつ滴下し、検出部６で検出される電極間４の電圧値Ｅ0を２分間計測した。計測を継続したまま、検体液を各電極対３に１２μＬずつ滴下し４分間保持して計測を終了した。
検体液滴下による最大検出電圧をＥ1、検体液滴下から３〜５分間における検出電圧の平均値Ｅ2を解析し、各々の測定センサの相対応答値Ｒ＝（Ｅ2−Ｅ0）／（Ｅ1−Ｅ0）を算出した。
【００６４】
（比較例４）
フラーレンを添加しなかった以外は実施例２と同様にセンサを作成し、実施例５と同様の測定を行った。
【００６５】
図１１に実施例５の、図１２に比較例４の結果を示す。縦軸が相対応答率Ｒを、横軸が検体液中の抗抗体の濃度を示す。
フラーレン微粒子を含まない比較例４（図１２）に比べてフラーレン微粒子を絶縁膜中に分散させた実施例５（図１１）は測定値のバラツキが小さく、再現性よく測定できることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、検体液中のイオン、糖、脂質、抗体、抗原等の特定成分の有無や濃度を検知することのできる溶液成分センサに関し、構造が簡単でシステム全体を小型化することができ、半導体製造技術を利用して製造することができ量産性に優れ、検体液中に含まれる１ｐｐｍ程度の極微量の特定成分を極短時間で精度よく検知可能な信頼性、作業性に優れる溶液成分センサを提供できる。
【符号の説明】
【００６７】
１，１ａ、１ｂ 溶液成分センサ
２ 基板
３ 電極対
４ 電極
４ａ 辺部
４ｂ 端子部
５ 絶縁膜
５ａ 感応物質
５ｂ 多孔体
６ 検出部
７ 判定部
１０ 検体液
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に所定間隔をおいて配置された電極対と、前記電極対の表面及び前記電極対間の前記基板の表面を被覆した絶縁膜と、を有し、前記絶縁膜がフラーレン又はフラーレン誘導体を含有していることを特徴とする溶液成分センサ。
【請求項２】
前記絶縁膜が感応物質を分散保持していることを特徴とする請求項１に記載の溶液成分センサ。
【請求項３】
前記絶縁膜中のフラーレン又はフラーレン誘導体の濃度が０．０１ｇ／ｃｍ3〜０．０７ｇ／ｃｍ3であることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶液成分センサ。
【請求項４】
フラーレン又はフラーレン誘導体を合成樹脂に混合してフラーレン含有合成樹脂液を調製する合成樹脂液調製工程と、基板上に所定間隔を置いて配置された電極対の表面及び前記電極対間の前記基板の表面に前記フラーレン含有合成樹脂液を塗布して感応物質を分散保持した絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程を有することを特徴とする溶液成分センサの製造方法。
【請求項５】
前記合成樹脂液調製工程において、フラーレン又はフラーレン誘導体を溶媒に溶解し不溶成分を分離除去する工程を有することを特徴とする請求項４に記載の溶液成分センサの製造方法。
【請求項６】
前記合成樹脂液調整工程において感応物質を前記フラーレン含有合成樹脂液に溶解または分散させる工程を有することを特徴とする請求項４または５に記載の溶液成分センサの製造方法。
【請求項１】
基板と、前記基板上に所定間隔をおいて配置された電極対と、前記電極対の表面及び前記電極対間の前記基板の表面を被覆した絶縁膜と、を有し、前記絶縁膜がフラーレン又はフラーレン誘導体を含有していることを特徴とする溶液成分センサ。
【請求項２】
前記絶縁膜が感応物質を分散保持していることを特徴とする請求項１に記載の溶液成分センサ。
【請求項３】
前記絶縁膜中のフラーレン又はフラーレン誘導体の濃度が０．０１ｇ／ｃｍ3〜０．０７ｇ／ｃｍ3であることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶液成分センサ。
【請求項４】
フラーレン又はフラーレン誘導体を合成樹脂に混合してフラーレン含有合成樹脂液を調製する合成樹脂液調製工程と、基板上に所定間隔を置いて配置された電極対の表面及び前記電極対間の前記基板の表面に前記フラーレン含有合成樹脂液を塗布して感応物質を分散保持した絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程を有することを特徴とする溶液成分センサの製造方法。
【請求項５】
前記合成樹脂液調製工程において、フラーレン又はフラーレン誘導体を溶媒に溶解し不溶成分を分離除去する工程を有することを特徴とする請求項４に記載の溶液成分センサの製造方法。
【請求項６】
前記合成樹脂液調整工程において感応物質を前記フラーレン含有合成樹脂液に溶解または分散させる工程を有することを特徴とする請求項４または５に記載の溶液成分センサの製造方法。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−９５０６６（Ｐ２０１１−９５０６６Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４８２２７（Ｐ２００９−２４８２２７）
【出願日】平成２１年１０月２８日（２００９．１０．２８）
【出願人】（８０２００００３１）財団法人北九州産業学術推進機構 (187)
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月２８日（２００９．１０．２８）
【出願人】（８０２００００３１）財団法人北九州産業学術推進機構 (187)
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