JP2006090824A - Manufacturing method of sensor chip - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサーチップの製造方法に関し、特に複数の電極を有し、溶液試料に含まれる生体物質を認識、定量するセンサーに関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a sensor chip, and more particularly to a sensor having a plurality of electrodes for recognizing and quantifying a biological substance contained in a solution sample.
電極表面を化学修飾することにより、特定の測定対象物質を認識し特異的反応を生じる機能性膜を電極上に設け、得られた電気信号を処理することにより、測定対象物質の濃度等を測定する種々のセンサーが開発されている。 By chemically modifying the electrode surface, a functional film that recognizes a specific measurement target substance and generates a specific reaction is provided on the electrode, and the concentration of the measurement target substance is measured by processing the resulting electrical signal. Various sensors have been developed.
たとえば、反応生成物の酸化、還元反応による電流値を電気信号として検出する酵素センサーや、特定物質の吸着に伴う振動数変化を電気信号に変換する水晶振動子マイクロバランス(QCM)センサーなどが存在する。 For example, there are enzyme sensors that detect the electric current value due to oxidation and reduction reactions of reaction products as electrical signals, and quartz crystal microbalance (QCM) sensors that convert frequency changes accompanying adsorption of specific substances into electrical signals. To do.
これらの電極を有するセンサーにおいて、例えば酵素センサーなどではセンサーチップの小型化が図られ、酵素を固定化した作用極と酵素を固定化していない対極とを一つの素子上に形成する必要がある。 In a sensor having these electrodes, for example, in an enzyme sensor, a sensor chip is downsized, and it is necessary to form a working electrode on which an enzyme is immobilized and a counter electrode on which an enzyme is not immobilized on one element.
また、QCMセンサーでは、電極表面に特定の抗原に対して反応する抗体などを固定化し、抗原抗体反応による振動数変化から溶液中の抗原濃度を測定するが、個々の水晶振動子自身の経時的振動数変化や、振動数の温度依存性が大きい場合は、特定の抗原抗体反応による振動数変化が正確に測定できないという問題があり、一つの水晶振動子上に複数の電極を設け、そのうちの一つをリファレンス電極とし個々の水晶振動子自身の経時的振動数変化や、振動数の温度依存性をキャンセルする必要がある。 In addition, in the QCM sensor, an antibody that reacts with a specific antigen is immobilized on the electrode surface, and the antigen concentration in the solution is measured from the change in the frequency due to the antigen-antibody reaction. If the frequency change or the temperature dependence of the frequency is large, there is a problem that the frequency change due to a specific antigen-antibody reaction cannot be measured accurately, and multiple electrodes are provided on one crystal resonator. It is necessary to cancel the change in the frequency of each crystal resonator over time and the temperature dependence of the frequency by using one as a reference electrode.
更に、これらの電極を有するセンサーにおいて、測定対象物質が蛋白質等の吸着性の強い物質で、測定対象物質の濃度が低い試料を測定する場合、測定対象物質が選択的に検出部の電極に吸着、または電極上で反応する必要がある。しかし、多くの物質は非特異的な吸着を起こし、検出部全体に吸着し、得られる電気信号が微弱なものとなってしまうという問題がある。 Furthermore, in the sensor having these electrodes, when measuring a sample whose measurement target substance is a substance having strong adsorptivity such as protein and whose concentration of the measurement target substance is low, the measurement target substance is selectively adsorbed on the electrode of the detection unit. Or react on the electrode. However, many substances cause non-specific adsorption and are adsorbed on the entire detection unit, resulting in a weak electrical signal.
そこで、非特異的吸着を防止するには選択的に電極周辺基板表面に撥水、撥油処理等の表面処理を施す必要がある。 Therefore, in order to prevent nonspecific adsorption, it is necessary to selectively perform surface treatment such as water repellency and oil repellency on the electrode peripheral substrate surface.
選択的な電極周辺基板表面の撥水、撥油処理は、電極部分をあらかじめマスキングして試料溶液が接触する部分に撥水、撥油膜を設け、後に電極部分のマスクを取り除く方法がとられている(例えば、特許文献1参照)。 The selective water-repellent and oil-repellent treatment of the electrode peripheral substrate surface is a method in which the electrode portion is masked in advance, a water-repellent and oil-repellent film is provided on the portion in contact with the sample solution, and then the mask on the electrode portion is removed. (For example, refer to Patent Document 1).
上記の手段によるセンサーチップの製造方法では、電極表面をマスクする材料を完全に取り除くことが難しく、電極表面が汚染されてしまう問題がある。 In the sensor chip manufacturing method by the above means, it is difficult to completely remove the material for masking the electrode surface, and there is a problem that the electrode surface is contaminated.
また、マスクする材料を除去するために用いられる種々の界面活性剤や有機溶剤、あるいは超音波洗浄などの作業工程により、電極周辺に施された撥水、撥油膜が剥がれてしま
う問題がある。
In addition, there is a problem that the water- and oil-repellent films applied to the periphery of the electrodes are peeled off by various surfactants and organic solvents used for removing the masking material, or by an operation process such as ultrasonic cleaning.
更に、上記手段によるセンサーチップの製造方法は工程が複雑となる問題がある。 Furthermore, the sensor chip manufacturing method using the above means has a problem that the process becomes complicated.
また、上記方法で一つの素子に複数の機能性の異なる電極を設ける事は困難であるとともに、何らかの工夫で特定電極表面のマスクを剥離し機能化した場合も、次の工程で特定電極以外のマスクを剥離する際に用いる種々の界面活性剤や有機溶剤、あるいは超音波洗浄などの作業工程により特定電極上に設けた機能性膜などが損傷、剥離されるという問題がある。 In addition, it is difficult to provide a plurality of electrodes having different functionalities in one element by the above method, and even if the mask on the surface of the specific electrode is peeled off and functionalized by some device, other than the specific electrode in the next step There is a problem that a functional film or the like provided on a specific electrode is damaged or peeled by various surfactants and organic solvents used when peeling the mask, or an operation process such as ultrasonic cleaning.
本発明は、検出部に機能性の異なる複数の電極を有し、更に電極周辺に撥水、撥油処理を施したセンサーチップの製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a sensor chip having a plurality of electrodes having different functions in a detection unit and further performing water and oil repellency treatment around the electrodes.
本発明のセンサーチップの製造方法は、複数の電極を有する素子全体に撥水性被膜または撥油性被膜を形成した後に、撥水性被膜または撥油性被膜を形成した素子を水溶液中に浸漬し、特定の電極に一定電圧を印加することにより、特定の電極上の被膜を除去する工程と、被膜を除去した特定の電極を化学修飾する工程とを組み合わせることによる一つの素子上に複数の機能化された電極を設けること特徴とするものである。 In the method for producing a sensor chip of the present invention, after forming a water-repellent coating or oil-repellent coating on the entire device having a plurality of electrodes, the device on which the water-repellent coating or oil-repellent coating is formed is immersed in an aqueous solution. By applying a constant voltage to the electrodes, a plurality of functionalized functions on a single device by combining a process of removing a film on a specific electrode and a process of chemically modifying a specific electrode from which the film has been removed An electrode is provided.
本発明のセンサーチップの製造方法において、シリコン化合物を使用して撥水処理または撥油処理を行うことが好ましい。 In the method for producing a sensor chip of the present invention, it is preferable to perform a water-repellent treatment or an oil-repellent treatment using a silicon compound.
更に本発明のセンサーチップの製造方法は、素子の電極以外に少なくとも一つの電極を設け、検出素子の電極に負の電圧を印加することがより好ましい。 Furthermore, in the method for manufacturing a sensor chip of the present invention, it is more preferable to provide at least one electrode in addition to the electrode of the element and apply a negative voltage to the electrode of the detection element.
(作用)
本発明のセンサーチップの製造方法によると、あらかじめ複数の電極を有する検出部全体を撥水、撥油膜で覆い、その後特定の電極に負の電圧をかけることにより電圧をかけた電極表面の被膜のみが選択的に除去できる。この現象は、電極表面のシリル基が還元的に脱離したものと考えられる。
(Function)
According to the method for manufacturing a sensor chip of the present invention, only the coating on the surface of the electrode to which a voltage is applied by applying a negative voltage to a specific electrode after covering the entire detection part having a plurality of electrodes with a water- and oil-repellent film in advance. Can be selectively removed. This phenomenon is thought to be due to reductive elimination of the silyl group on the electrode surface.
本発明によれば、一つの素子に複数の電極が存在する場合、特定の電極に電圧をかけることにより電極表面の被膜を除去しその後、電極表面を化学修飾するため、表面状態や機能性の異なる複数の電極を有する素子を簡便に作製することが可能となる。 According to the present invention, when a plurality of electrodes are present in one element, the coating on the electrode surface is removed by applying a voltage to a specific electrode, and then the electrode surface is chemically modified. An element having a plurality of different electrodes can be easily produced.
また、本発明によれば、被膜自身が撥水、撥油性を有するため、電極周辺基板表面への非特異的吸着を防ぐと共に、電極表面をあらかじめマスクする必要が無いことから、工程の簡略化が可能となると共に、マスク材料除去のための界面活性剤や有機溶剤を用いる必要が無い。 In addition, according to the present invention, since the coating itself has water and oil repellency, nonspecific adsorption to the electrode peripheral substrate surface is prevented, and it is not necessary to mask the electrode surface in advance, thereby simplifying the process. In addition, it is not necessary to use a surfactant or an organic solvent for removing the mask material.
更に、本発明によれば、マスク材料除去のために特定の界面活性剤や有機溶剤を用いる必要が無い事から、製造時の環境負荷の低減化に役立つ。 Furthermore, according to the present invention, since it is not necessary to use a specific surfactant or organic solvent for removing the mask material, it is useful for reducing the environmental load during production.
また、本発明によれば電極に直接触れることが無いので電極表面の汚染や傷の発生を最小限にとどめることが可能となる。 Further, according to the present invention, since the electrode is not directly touched, it is possible to minimize the occurrence of contamination and scratches on the electrode surface.
以下、図面を用いて本発明のセンサーチップの製造方法を実施するための構成を説明す
る。
Hereinafter, a configuration for carrying out the method for manufacturing a sensor chip of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明のセンサーチップの製造方法における複数の電極を有する素子の形態の一例で、2個の電極を有する素子を示す。
基板1はガラス、シリコン、水晶、ガラスエポキシ、ポリエチレンテレフタレート等を用いることが可能である。
FIG. 1 shows an element having two electrodes as an example of the form of an element having a plurality of electrodes in the method for producing a sensor chip of the present invention.
As the
基板上の電極2、電極3は、化学的に安定な電極材料であれば用いることが可能であり、金、白金、パラジウム黒、白金黒、炭素電極、あるいはITO等の無機酸化物電極などを用いることができ、これらの電極は基板1上にスクリーン印刷、メッキ、蒸着、スパッタ法などにより直接設けることも、電極を設けた水晶やガラス基板を基板1に接着し形成することが可能である。
The
素子には、あらかじめ電極で発生した電気信号を検出するために引き出し線4、5が設けられている。引き出し線4は電極2と、引き出し線5は電極3と導通している。必要に応じて引き出し線4、5表面に絶縁コート6を設ける。
The element is provided with
まず、素子全体に撥水、撥油処理剤を用いて素子全体を図2に示すように被膜7で覆う。
First, the entire element is covered with a
被膜7を形成する撥水、撥油処理剤としてはポリジメチルシロキサン等のアルキル基を有するシロキサン、あるいはパーフルオロアルキル基を有するアルコキシシランやポリシラザン等を用いることができる。被膜7形成後の素子形態の一例を図2に示す。
As the water- and oil-repellent treatment agent for forming the
次に被膜7を形成した基板1を水溶液8に浸漬し、電源9から引き出し線4を通して電極2に負の電圧を印加し電極2表面上の被膜7を除去する。図3に電極2表面上の被膜7を除去する工程の形態の一例を示す。
Next, the
水溶液8中には素子の電極以外に対極10を一つ、必要に応じて参照電極11を設ける。
対極10としては白金やカーボン等を用いることができる。参照電極11としては銀/塩化銀などの一般的な参照電極を用いることができ、塩橋等を通して参照電極11のみを異なる容器に設置してもかまわない。
In the
Platinum or carbon can be used as the
水溶液8には硫酸ナトリウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、過塩素酸ナトリウム、リン酸塩などの電極材料に不活性で、水に良く溶けてイオン解離する種々の電解質を用いることができる。更に被膜7の特性によって種々のpHを有するリン酸緩衝液や硼酸緩衝液を用いることができる。
For the
電極に印加する負の電圧は電極の材質により異なるが、電極から水素発生をともなう負の電圧を印加した場合、ガラスや水晶等の基板上に形成した電極自身の剥離等を伴うため、電極に印加する負の電圧の大きさは水の電気分解により水素発生が生じない範囲とすることが必要であり、通常は−1V以下が好ましい。図4に電極2表面のみの被膜7が除去された素子形態の一例を示す。
The negative voltage applied to the electrode varies depending on the electrode material, but when a negative voltage accompanied by hydrogen generation is applied from the electrode, the electrode itself formed on the substrate such as glass or quartz is peeled off. The magnitude of the negative voltage to be applied must be within a range where hydrogen generation does not occur due to water electrolysis, and is usually preferably −1 V or less. FIG. 4 shows an example of an element configuration in which the
次に、図1の基板1にガラス基板を、電極2、3と電極引き出し線4、5としてスパッタ法による金電極(厚さ2000オングストロームで密着層として500オングストロームのクロム層を設けた)を有する素子を作製した。なお、電極引き出し線上は一部スクリーン印刷で絶縁コート6を設けた。
Next, a glass substrate is provided on the
次に、素子を、5mMのフェリシアン化カリウムを溶解したpH7.2のリン酸緩衝液と参照電極11として銀/塩化銀電極を、対極10として白金を入れたガラス容器に浸漬し、電極引き出し線4を通して−0.2Vから+0.5Vの範囲での電極2のサイクリックボルタンメトリー(CV)測定をし、図6のグラフを得た。図6から、明瞭なフェリシアン化カリウムの酸化−還元電流が確認されることが判った。電極引き出し線5を通して電極3で同様のCV測定を行った場合も、図6と同様のグラフを得た。
Next, the device was immersed in a glass container containing a phosphate buffer solution of pH 7.2 in which 5 mM potassium ferricyanide was dissolved, a silver / silver chloride electrode as the reference electrode 11, and platinum as the
次に、素子を純水で洗浄後、シリコンコーティング剤(岩城硝子製)の50倍希釈水溶液中(70℃)に10秒間浸漬し、引き上げた後、純水で洗浄後24時間室温放置し素子表面全体にポリジメチルシロキサンからなる被膜7を形成した。
Next, the device was washed with pure water, immersed in a 50-fold diluted aqueous solution (70 ° C.) of a silicon coating agent (manufactured by Iwaki Glass) for 10 seconds, pulled up, washed with pure water, and left at room temperature for 24 hours. A
被膜形成後、上記フェリシアン化カリウム溶液にて再び電極2、電極3に対してCV測定をしたところ、図7が得られた。被膜形成前のCV測定で得られたフェリシアン化カリウムの酸化−還元電流が見られず、また電流がほとんど流れていないことから、素子の電極2、3の表面が絶縁体である被膜7により覆われていることを確認した。
After the coating was formed, CV measurement was again performed on the
その後、素子を純水で洗浄後、溶液をpH7.2のリン酸緩衝液である水溶液8に交換し、電極引き出し線4を通して電極2に−1Vの電圧を5分間印加した。
Thereafter, the device was washed with pure water, and then the solution was replaced with an
電圧印加後、再度フェリシアン化カリウム溶液にて引き出し線4を通して電極2のCV測定をしたところ、図8が得られた。図8と図6は同様のCV特性を示し、またフェリシアン化カリウムの酸化−還元ピーク電流値が同じことから、電極2表面の被膜7が完全に除去されている事を確認した。同時に引き出し線5を通して電極3のCV測定をしたところ、図7と同様のグラフが得られ、電極3上の被膜7は除去されずに残っていることを確認した。
After the voltage application, CV measurement of the
次に被膜を除去した電極2表面に酵素を溶解したグルタルアルデヒド水溶液を滴下し乾燥させた後に、素子をTris−HCl緩衝液(pH;8.0)中に浸漬し未反応のアルデヒド基をブロッキングし酵素固定化作用極12とした。
Next, after the glutaraldehyde aqueous solution in which the enzyme is dissolved is dropped on the surface of the
その後、素子をリン酸緩衝液で洗浄後、pH7.2のリン酸緩衝液である水溶液8に浸漬し、引き出し線5を通して電極3に−1Vの電圧を5分間印加することにより電極3上の被膜を除去し、露出した電極を対極13として、図5に示す酵素センサーチップを作製した。
Thereafter, the device is washed with a phosphate buffer solution, immersed in an
複数の電極を有する素子として、図9に示す水晶基板14表面に2個の隣接する電極2、3(スパッタ法による金電極)を形成し、各電極の裏面に金からなる対向電極を形成した2チャンネル水晶振動子をガラスエポキシからなる基板1上にシリコーン樹脂にて封止し、金からなる電極2の引き出し線4、金からなる電極3の引き出し線5、金からなる電極2の対向電極の引き出し線15、金からなる電極3の対向電極の引き出し線16を基板1上に形成したQCM(水晶振動子マイクロバランス)素子を作製した。なお、引き出し線上は一部スクリーン印刷で絶縁コート6を設けた。
As an element having a plurality of electrodes, two
撥水、撥油処理剤としてヘプタデカフルオロデシルトリイソプロポキシシランを主成分とするフルオロシランコーティング剤(XC98−B2472 東芝シリコーン製)を用い、ディップコート法により素子表面を被覆し室温で2時間放置することにより被膜7を得た。
Using a fluorosilane coating agent (XC98-B2472 made by Toshiba Silicone) mainly composed of heptadecafluorodecyltriisopropoxysilane as a water and oil repellent treatment agent, the surface of the element is coated by dip coating and left at room temperature for 2 hours. As a result, a
その後、素子を純水で洗浄後、pH7.2のリン酸緩衝液である水溶液8に浸漬し、引き出し線4を通して電極2に−1Vの電圧を5分間印加することで、電極2表面の被膜7を除去した。
Thereafter, the device is washed with pure water, immersed in an
被膜形成後、並びに電圧印加後のフェリシアン化カリウム溶液中のCV測定結果は実施例1と同様の結果が得られた。 The CV measurement results in the potassium ferricyanide solution after the film formation and after the voltage application were the same as those in Example 1.
次に被膜を除去した電極2上にジチオプロピオン酸、1−エチル−3−(3−ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド、N−ヒドロキシスクシンイミドを用いた自己集合単分子膜(SAM)法により抗マウスIgG抗体を固定化し、1%BSA(ウシ血清アルブミン)のリン酸緩衝液にてブロッキング処理を施し、抗体固定化電極17とした。
Next, an anti-mouse IgG antibody is obtained by self-assembled monolayer (SAM) method using dithiopropionic acid, 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide, N-hydroxysuccinimide on the
その後、素子をpH7.2のリン酸緩衝液である水溶液8に浸漬し、電極引き出し線5を通して電極3に−1Vの電圧を5分間印加することにより電極3上の被膜を除去し、1%BSA(ウシ血清アルブミン)のリン酸緩衝液にてブロッキング処理を施しリファレンス電極18とし、図10に示すマウスIgGのQCM免疫センサーチップを作製した。
Thereafter, the device was immersed in an
以上、上記実施例で示したように、本発明によれば、一つの素子で機能の異なる複数の電極を簡便に製造する事が可能となり、更に電極周辺基板の選択的表面処理を施したセンサーチップの製造が可能となる。 As described above, according to the present invention, according to the present invention, it is possible to easily manufacture a plurality of electrodes having different functions with a single element, and further, a sensor that has been subjected to selective surface treatment of an electrode peripheral substrate. Chips can be manufactured.
また本発明により、電極上の被膜を除去させた際は、電極周辺部分は撥水、撥油性を持ち蛋白質等の吸着を防げることから、被膜除去後に電極表面のみに種々の機能膜を形成することが可能となる。 Further, according to the present invention, when the coating on the electrode is removed, the peripheral portion of the electrode has water repellency and oil repellency and can prevent adsorption of proteins and the like, so that various functional films are formed only on the electrode surface after the coating is removed. It becomes possible.
1 基板
2、3 電極
4、5 引き出し線
6 絶縁コート
7 被膜
8 水溶液
9 電源
10 対極
11 参照電極
12 酵素固定化作用極
13 対極
14 水晶基板
15 引き出し線
16 引き出し線
17 抗体固定化電極
18 リファレンス電極
DESCRIPTION OF
Claims (3)
The method for manufacturing a sensor chip according to claim 1, wherein at least one electrode is provided in addition to the electrode of the element, and a negative voltage is applied to the electrode of the element.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004276284A JP2006090824A (en) | 2004-09-24 | 2004-09-24 | Manufacturing method of sensor chip |
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JP (1) | JP2006090824A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023122894A1 (en) * | 2021-12-27 | 2023-07-06 | 深圳华大生命科学研究院 | Biosensor chip, and electrode activation method and apparatus thereof |
-
2004
- 2004-09-24 JP JP2004276284A patent/JP2006090824A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2023122894A1 (en) * | 2021-12-27 | 2023-07-06 | 深圳华大生命科学研究院 | Biosensor chip, and electrode activation method and apparatus thereof |
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