JPH04186152A - 半導体生化学センサ - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は医用生化学分析装置の中の生化学センサに関わ
り、特に小形な半導体生化学センサの構造及びその製造
方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、固定化酵素膜と半導体イオンセンサを組み合わせ
た生化学センサについては、センサーズアンドアクチュ
エーターズ、７　（１９８５年）第２３３頁から第２４
４頁において論しられている。。

該文献では固定化グルコースオキシダーゼ膜とｐＨ感応
性電界効果トランジスタを組み合わせたグルコースセン
サが構成され、その特性が議論されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、酵素反応により生じたｐＨ変化をｐ　
Ｈ感応性半導体化学センサで検出するという原理であっ
たので、センサの応答が使用する緩衝液の濃度に依存し
、緩衝液濃度が高くなると感度が小さくなるという問題
があった。

本発明は、緩衝液の濃度に依存しない応答を示す、小型
で使い易い半導体生化学センサを提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

」二記目的を達成するために、アンモニウムイオン感応
性電界効果トランジスタを用い、アンモニウムイオン感
応膜に固定化酵素膜を積層し、酵素反応で生じたアンモ
ニウムイオンを検出する方式％式％ 試料溶液中に基質が存在すると、固定化酵素膜に固定化
されている酵素と特異的に反応し、アンモニウムイオン
を生成する。固定化酵素膜はアンモニウムイオン感応膜
」二に積層されており、生じたアンモニウムイオンは、
アンモニウムイオン感応膜で検知され、膜電位を発生す
る。生じた膜電位は電界効果トランジスタでインピーダ
ンス変換される。以上のように、本発明は酵素−基質反
応で生じたアンモニウムイオンを検出するので、試料溶
液の緩衝作用の影響を受けない小型センサを構成するこ
とができる。

〔実施例〕

本発明を実施例に基づき詳細に説明する。

第１図は本発明の第コ−の実施例断面図である。

シリコン基板１にソース２及び１〜レイン３を設け、シ
リコン基板表面に二酸化シリコン膜４及び保護絶縁膜５
を形成した。該保護絶縁上にアンモニウムイオン感応膜
６及び固定化酵素膜７を積層した。

二酸化シリコン膜４及び保護絶縁膜５の膜厚はそれぞれ
１００人〜２０００人及び５００人−３０００人が望ま
しい。又、アンモニウムイオン感応膜６及び固定化酵素
膜７の膜厚はそれぞれ５０μｍ〜３００μｍ及び１μｍ
〜５００μｍが望ましい。

第２図は本発明の第２の実施例断面図である。

シリコン基板１にウェハ８を設け、ウェハの中にソース
２及びドレイン３を形成した。その他の部分は第１の実
施例と同じである。本実施例のようにウェハを設けると
、複数の電界効果１〜ランジスタを１個のシリコン基板
に集積化した場合、個々の電界効果トランジスタを電気
的に分離することができ、相互干渉のない信号が得られ
る。

第３図は本発明の第３の実施例断面図である。

サファイア基板９の上にシリコン膜１０を形成し、該シ
リコン膜の中にソース２及びドレイン３を設けたもので
ある。その他の部分は第１の実施例と同しである。本実
施例ではシリコン膜の側面を絶縁膜４及び５で覆うこと
ができ、試料溶液に浸した場合でもシリコン膜を試料溶
液から保護することができ、センサのパッケージングが
簡単になる。

第４図は本発明の第４の実施例断面図である。

シリコン基板１にウェル８ａ及び８ｂを設け、その中に
それぞれソース２ａ、２ｂ、　ドレイン３ａ。

３ｂを形成した。シリコン表面に二酸化シリコン膜４．
保護ＭＡ縁膜を形成し、各々のウェハのソースとトレイ
ンの間にアンモニラ１１イオン感応膜６ａ及び６ｂを設
けた。そして、１つのアンモニウムイオン感応膜６ａ上
に固定化酵素膜７を形成した生化学センサとし、他のア
ンモニウムイオン感応膜６ｂ上には何も形成せず、参照
用センサとした。試料溶液中の基質の測定は、生化学セ
ンサと参照用センサの信号の差を出力する。差動測定で
は、バックグラウンドに存在するアンモニラ１１イオン
を相殺することができ、酵素反応に基づくアンモニウム
イオン濃度変化のみを検出することができる。

第５図は本発明の半導体生化学センサを実装したときの
断面図である。半導体生化学センサチップ１１をプリン
ト基板１２にマウントし、ワイヤー］３でチップと銅配
線１４を接続した。銅配線の他端には、外部回路に接続
するためのリード線１５を設けた。そして固定化酵素膜
７、及びリード線１５を残して耐水性の優れた絶縁材料
１６で覆ったものである。該絶縁材料１６としては、工
ポキシ樹脂又はシリコーン樹脂が望ましい。

第６図は第５図に示した実装した半導体生化学センサの
測定システムを示したものである。実装した半導体生化
学センサ１７と参照電極１８を試料溶液１９に浸漬した
。参照電極はアースに接続され、生化学センサのソース
及びトレインの信号線２０及び２」はそれぞれ演算増幅
器２２の入力及び演算増幅器２３の出力に接続されてい
る。該演算増幅器２２及び２３は定電流源２４．２５及
び抵抗２６と共に膜電位測定回路を構成しており、該回
路の出力２７は直接膜電位変化を示し、記録計２８に記
録される。

第７図は本発明の効果を示したものである。第４の実施
例と、従来のｐ　Ｔ（変化測定方式に基づく半感体生化
学センサを比較したものである。保護絶縁膜には厚さ１
０００人の窒化シリコンを用い、γアミノプロピルトリ
エトキシシランで表面を化学修飾して固定化酵素膜との
接着性を高めた。アンモニウムイオン感応膜にはポリ塩
ビニル、ノナクチン／モナクチン、ジオクチルアジペイ
１−（ＤＯＡ）、固定化酵素膜にはＩ−リアセチルセル
ロース、グルタルアルデヒ１−１牛血清アルブミン、ウ
レアーゼの混合膜を用いた。試料溶液はｐ　ｌ−１７，
０，１０ｍＭの１〜リス−塩酸バッファに各種濃度の尿
素を溶解させて調製した。第７図より本発明の生化学セ
ンサは１　’ｏ　ｍ　Ｍの緩衝液中でも高い感度を有し
ており、緩衝液濃度に応答が依存しない。

以上より本発明の半導体化学センサは緩衝液濃度に応答
が依存せず、小型で使い易い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、酵素一基板反応で生成したアンモニウ
ムイオンをアンモニウムイオン感応性電界効果トランジ
スタて検出するので、試料溶液中の緩ｉ液濃度に依存し
ない応答が得られ、緩衝液濃度が高くても高感度測定が
できる。また半導体技術を用いて製作されるので小型で
使い易い生化学センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第４図はそれぞれ本発明の第
１．第２．第３．第４の実施例を示す図、第５図は本発
明を実装した断面図、第６図は本発明の測定回路図、第
７図は本発明の効果を示した図である。 １・・シリコン基板、２・ソース、３・・ドレイン、４
　二酸化シリコン、５・保護絶縁膜、６・・アンモニウ
ムイオン感応膜、７・・・固定化酵素膜、８・・・ウェ
ル、９・サファイア基板、１ｏ・・シリコン膜、１１・
半導体生化学センサチップ、１２・・プリン１一基板、
１３・・・ワイヤー、１４・・銅配線、１５リード線、
１６　耐水性絶縁物、１７・・実装半感体生学化センサ
チップ、１８・・・参照電極、１９　・試料溶液、２ｏ
・・・ソースリード線、２１・・・ドレインリード線、
２２．２３・・演算増幅器、２４゜２５・定電流源、２
６・・抵抗、２７・・・出方、２８つ 旧く鈑−巨

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、二酸化シリコンに保護絶縁膜を積層した二層ゲート
   絶縁膜から成る電界効果トランジスタにおいて、該保護
   絶縁膜上にアンモニウムイオン感応膜を設け、該アンモ
   ニウムイオン感応膜上に固定化酵素膜を積層したことを
   特徴とする半導体生化学センサ。 ２、請求項第１項記載の保護絶縁膜は、窒化シリコン（
   Ｓｉ＿３Ｎ＿４）、酸化アルミニウム（Ａｌ＿２Ｏ＿３
   ）、酸化タンタル（Ｔａ＿２Ｏ＿５）であることを特徴
   とする半導体生化学センサ。 ３、請求項第１項記載のアンモニウムイオン感応膜は、
   ポリ塩ビニル（ＰＶＣ）及び可塑剤及びモナクチン又は
   ノナクチンの混合物であることを特徴とする半導体生化
   学センサ。４、請求項第１項記載の固定化酵素膜は例え
   ばアセチルセルロース又はポリビニルアルコール又はポ
   リアクリルアミド等のマトリックスに、アルブミン等の
   タンパク質及びグルタルアルデヒド及び酵素を混合した
   ものであることを特徴とする半導体生化学センサ。 ５、請求項第１項記載の保護絶縁膜表面を、アミノ基を
   有するシランカップリング剤で化学修飾したことを特徴
   とする半導体生化学センサ。