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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2021-152477(P2021-152477A)
(43)【公開日】2021年9月30日
(54)【発明の名称】バイオセンサ及び複合センサ
(51)【国際特許分類】
G01N 27/414 20060101AFI20210903BHJP
【ＦＩ】
G01N27/414 301K
G01N27/414 301P
G01N27/414 301R
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2020-53050(P2020-53050)
(22)【出願日】2020年3月24日
(71)【出願人】
【識別番号】519235520
【氏名又は名称】株式会社ＷｏｒｌｄＴｒｙｏｕｔ
(74)【代理人】
【識別番号】110002516
【氏名又は名称】特許業務法人白坂
(72)【発明者】
【氏名】加治佐 平
(57)【要約】
【課題】非侵襲的に人体から採取した試料に基づき高感度の解析を可能とすることができるバイオセンサ及び複合センサを提供する。【解決手段】検出対象物質と結合する識別物質と、前記識別物質の電荷を帯電する電極と、を備え、検出対象物質がグルコースであり、識別物質がフェニルボロン酸誘導体であり、非検出対象物質が識別物質又は電極の少なくとも一方に付着することを抑制する阻害物質を有し、検出対象物質が識別物質に結合することにより生じる電極の電荷密度の変化を検出するバイオセンサであり、当該バイオセンサを備えた非侵襲的に体液を採取する複合センサである。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
検出対象物質と結合する識別物質と、前記識別物質の電荷を帯電する電極と、を備えるバイオセンサにおいて、
前記検出対象物質がグルコースであり、
前記識別物質がハロゲン基又はニトロ基を有するフェニルボロン酸誘導体であり、
非検出対象物質が前記識別物質又は前記電極の少なくとも一方に付着すること、を抑制する阻害物質を有し、
前記検出対象物質が前記識別物質に結合することにより生じる前記電極の電荷密度の変化を検出する
ことを特徴とするバイオセンサ。
前記検出対象物質がグルコースであり、
前記識別物質がハロゲン基又はニトロ基を有するフェニルボロン酸誘導体であり、
非検出対象物質が前記識別物質又は前記電極の少なくとも一方に付着すること、を抑制する阻害物質を有し、
前記検出対象物質が前記識別物質に結合することにより生じる前記電極の電荷密度の変化を検出する
ことを特徴とするバイオセンサ。
【請求項2】
前記阻害物質が、親水性を有することを特徴とする請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項3】
前記阻害物質が、前記非検出対象物質と特異的に結合する化合物を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のバイオセンサ。
【請求項4】
前記識別物質が、前記電極に接触していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のバイオセンサ。
【請求項5】
前記識別物質と前記阻害物質とにより、前記電極の表面に自己組織化単分子膜が形成されていることを特徴とする請求項４に記載のバイオセンサ。
【請求項6】
前記識別物質で形成された薄膜と、
前記薄膜上に形成され、前記阻害物質を含む阻害物質層を１又は２以上備えていることを特徴とする請求項４に記載のバイオセンサ。
前記薄膜上に形成され、前記阻害物質を含む阻害物質層を１又は２以上備えていることを特徴とする請求項４に記載のバイオセンサ。
【請求項7】
前記識別物質が、前記阻害物質と結合していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のバイオセンサ。
【請求項8】
前記識別物質が、粒子に担持されていることを特徴とする請求項７記載のバイオセンサ。
【請求項9】
前記電極が、電界効果トランジスタのゲート絶縁膜に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のバイオセンサ。
【請求項10】
前記電極が、前記電界効果トランジスタから離れて配置されており、前記ゲート絶縁膜上に設けた金属電極と配線を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項９記載のバイオセンサ。
【請求項11】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のバイオセンサを備えた非侵襲的に体液を採取することを特徴とする複合センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、バイオセンサ及び複合センサに関し、特に非侵襲により計測するためのバイオセンサ及び複合センサに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、バイオセンサとしては、生きている細胞を非侵襲で解析に利用できる技術が開示されている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、負電荷の物理的特性の変化を検出する検出表面が、シアル酸試料（細胞そのもの又は細胞由来の糖鎖）と結合するフェニルボロン酸基で被覆された構造を有するバイオセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１０−１０７４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたバイオセンサでは、細胞等に対する侵襲がないものの、細胞を採取する際の人体に対し侵襲が生じる。すなわち、より人体への負担を軽減することができるバイオセンサ、具体的には、涙、汗、唾液などに基づき検出対象物を検出することができるバイオセンサが望まれる。また、涙などには、検出対象物質としてのグルコースのほかに、アルブミン等のタンパク質が含まれており、当該タンパク質がノイズとなって測定感度を低下させてしまう、という懸念がある。
【0005】
検出対象物質としてのグルコースを検出するフェニルボロン酸は、グルコースとよく結合するため、高感度の識別物質として用いられている。その後、識別物質について鋭意検討を重ねた結果、さらに高感度の識別物質を見いだすに至った。
【0006】
そこで、非侵襲的に人体から採取した試料に基づき高感度の解析を可能とすることができるバイオセンサ及び複合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】
【0007】
本形態のバイオセンサは、検出対象物質と結合する識別物質と、前記識別物質の電荷を帯電する電極と、を備えるバイオセンサであって、検出対象物質がグルコースであり、識別物質がフェニルボロン酸誘導体であり、非検出対象物質が識別物質又は電極の少なくとも一方に付着することを抑制する阻害物質を有し、検出対象物質が識別物質に結合することにより生じる前記電極の電荷密度の変化を検出することを特徴とする。
【0008】
さらに、複合センサは、本形態のバイオセンサを備えた非侵襲的に体液を採取することを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明のバイオセンサによれば、検出対象物質がグルコースであり、識別物質がフェニルボロン酸誘導体であり、非検出対象物質が識別物質又は電極の少なくとも一方に付着することを抑制する阻害物質を有し、検出対象物質が識別物質に結合することにより生じる前記電極の電荷密度の変化を検出するため、非侵襲的に人体から採取した試料に基づき高感度の解析を可能とすることができるバイオセンサを提供することができる。
【0010】
また、本発明の複合センサによれば、グルコースの検出とともに、これ以外の他の物質検出も可能とし、一度に複数種類の物質を非侵襲的に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】第１実施形態に係るバイオセンサの全体構成を示す概略図である。
【図2】第１実施形態に係るバイオセンサにおける識別部の構成を示す概略図である。
【図3】検出対象物質と識別物質との結合の程度を示すグラフである。
【図4】検出対象物質と識別物質電位の電位変化を示すグラフである。
【図5】第２実施形態に係るバイオセンサにおける識別部の構成を示す概略図である。
【図6】第２実施形態の変形例に係るバイオセンサにおける識別部の構成を示す概略図である。
【図7】第２実施形態に係るバイオセンサにおける識別部の説明に用いる概略図である。
【図8】第３実施形態の変形例に係るバイオセンサにおける識別部の構成を示す概略図である。
【図9】第１応用形態の複合センサの主要部構成を示す概略図である。
【図10】第２応用形態の複合センサの主要部構成を示す概略図である。
【図11】第３応用形態の複合センサの主要部構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
１．第１実施形態（１−１）全体構成
図１に示すバイオセンサ１０は、識別部１２Ａと、検出部としての電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）１４とを備える。バイオセンサ１０は、識別部１２Ａにおいて試料中に含まれる検出対象物質としてのグルコースを識別し、識別された情報をＦＥＴ１４において電気的な信号に変換することにより、試料中のグルコース濃度を検出する。ここで試料とは、非侵襲的に採取した試料、すなわち血液以外の生体液として、汗、涙、唾液、間質液を挙げることができる。これら試料には、検出対象物質としてのグルコースのほか、非検出対象物質としてのアルブミン等のタンパク質が含まれている。
【0013】
識別部１２Ａは、電極１６と、電極１６上に設けられた受容体２０Ａとを備える。実施形態の場合、識別部１２Ａは、電極１６の一側表面上に円筒状の壁部を設けて容器１８が形成されており、当該容器１８内に識別物質及び阻害物質が収容されている。電極１６は、Ａｕにより形成される。また、電極１６は、Ａｕに代えてＡｇまたはＣｕにより形成される。受容体２０Ａは、識別物質と、阻害物質とを含む自己組織化単分子膜（Self-Assembled Monolayers：ＳＡＭ）で形成されている。ＳＡＭとは、通常、固体と液体の界面又は固体と気体の界面で、有機分子同士が自発的に集合して、自発的に単分子膜を形作っていく有機薄膜をいう。
【0014】
識別物質は、試料中に含まれるグルコースと結合する機能を有する。識別物質は、フェニルボロン酸を用いることができ、特にフェニルボロン酸誘導体が好ましい。このフェニルボロン酸誘導体は、同フェニルボロン酸の芳香環部分に、Ｆ（フッ素）、Ｃｌ（塩素）等のハロゲン基を有する。または、同フェニルボロン酸の芳香環部分に、ＮＯ２（ニトロ基）を有する。これらの修飾基は図２等において「−Ｘ」として示される。
【0015】
フェニルボロン酸誘導体の芳香環部分にハロゲン基またはニトロ基が存在すると、当該官能基の陰性に起因して、フェニルボロン酸の電子の安定性が変化する。そこで、−Ｂ（ＯＨ）２部分と、グルコースとの結合の親和性が高まると想定される。後述するように、ニトロ基を有するフェニルボロン酸誘導体（３−ニトロフェニルボロン酸）のグルコースとの反応性は顕著である。
【0016】
阻害物質は、非検出対象物質であるアルブミン等のタンパク質が、フェニルボロン酸誘導体と結合したり、電極１６表面に付着したりすることを抑制する。本実施形態の場合、阻害物質は、高分子化合物で形成される。高分子化合物は、分子鎖が識別物質より長いオリゴエチレングリコールを用いることができるほか、例えばポリエチレングリコールなども用いることができる。
【0017】
図２に示すように、識別物質３８と阻害物質３９とは、一方の末端が電極１６の一側表面に吸着してＳＡＭｓを形成している。識別物質３８と阻害物質３９は、チオール基（−ＳＨ）、ジスルフィド基（−Ｓ−Ｓ−）を導入し、チオール、ジスルフィドの誘導体とする。このようなチオールやジスルフィドの誘導体は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の金属表面に高密度な薄膜を形成することができる。例えば、チオール基が導入されたフェニルボロン酸誘導体は、Ａｕ−Ｓのような強い結合を形成する。識別物質３８は、他方の末端において、グルコースと結合する。阻害物質３９は他方の末端において非検出対象物質と特異的に結合する。
【0018】
ＦＥＴ１４は、半導体基板２２の表面に形成されたソース２４及びドレイン２６と、半導体基板２２、ソース２４及びドレイン２６上に形成されたゲート絶縁膜２８とを備える（図１参照）。ＦＥＴ１４は、ｎ−ＭＯＳ、ｐ−ＭＯＳのいずれも使用することができる。ゲート絶縁膜２８上には、金属電極３０が形成されている。金属電極３０は、配線３１を介して、電極１６と電気的に接続されている。金属電極３０は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等により形成される。
【0019】
半導体基板２２は、Ｓｉ、Ｇａ、Ａｓ、ＩＴＯ、ＩＧＺＯ、ＩＺＯ等により形成され、あるいは、有機半導体、炭素半導体（例えば、カーボンナノチューブ、グラフェン半導体、ダイヤモンド半導体等）等により形成される。ゲート絶縁膜２８は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４（ＳｉＮｘ）、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物または窒化物により形成される。
【0020】
ソース２４とドレイン２６は、電源３４及び電流計３６が電気的に接続されており、ソース２４からドレイン２６へ流れるドレイン電流を計測するように形成されている。ゲート絶縁膜２８上の電荷密度が変化すると、ドレイン電流の大きさが変化する。すなわちドレイン電流を一定に保つためには、ゲート絶縁膜２８上の電荷密度の変化に伴いゲート電圧を変化させる必要がある。ＦＥＴ１４は、このゲート電圧の変化を計測することにより、ゲート絶縁膜２８上の電荷密度の変化を電気的に計測する。
【0021】
図１の開示においては、必要により参照電極３２が用いられる。参照電極３２は、ＦＥＴ１４における基準電位となる電極１６であり、識別部１２Ａにおいて識別物質３８と電気的に接続される。
【0022】
（１−２）製造方法図２に示す識別部１２Ａは、一例として、以下の手順により製造することができる。まず、スパッタリング装置を用いてガラス基板上にＣｒ、Ａｕの順に堆積され、電極１６が形成される。次いでガラス等で形成された円筒状の壁部は電極１６上にエポキシ樹脂により固定される。その後、内部は硫酸と過酸化水素の混合溶液により洗浄処理され、純水、エタノールの順に洗浄される。
【0023】
次に、１ｍＭのオリゴエチレングリコール（Hydroxy - EG6 - undecanethiol）を含むエタノール溶媒と、１ｍＭの４−メルカプトフェニルボロン酸誘導体を含むエタノール溶媒とを９：１の比率で混合した混合液は容器１８に収容される。この状態で所定時間保持することにより、オリゴエチレングリコールとフェニルボロン酸誘導体が電極１６表面に化学吸着して自己組織化単分子膜が形成される。最後に混合液は除去され、エタノール、純水の順に容器１８内は洗浄される。このようにして識別部１２Ａは製造される。
【0024】
（１−３）作用及び効果上記のように構成されたバイオセンサ１０において、まず、識別部１２Ａに試料が加えられる（図２参照）。試料に含まれるグルコース４０は、受容体２０Ａの下方へ到達し、識別物質３８（フェニルボロン酸誘導体）と結合する。これにより識別物質３８は、負電荷を生じる。当該負電荷は、電極１６表面に帯電する。一方、試料に含まれるアルブミン等のタンパク質４２は、阻害物質３９と結合し、受容体２０Ａの下方、すなわち識別物質３８、電極１６表面まで到達することが抑制される。
【0025】
電極１６はＦＥＴ１４の金属電極３０と電気的に接続されており、電極１６表面に負電荷が帯電することにより、ゲート絶縁膜２８上の電荷密度が変化する。ＦＥＴ１４は、ゲート絶縁膜２８上の電荷密度の変化に伴うゲート電圧の変化を計測する。これによりバイオセンサ１０は、試料に含まれるグルコース濃度を検出することができる。
【0026】
なお、タンパク質４２は、負電荷を有しているので、識別物質３８と結合したり、電極１６表面に付着したりすることにより、電極１６表面に帯電する負電荷を増加させてしまう。これにより従来のバイオセンサでは、測定感度が著しく低下するという問題があった。
【0027】
本実施形態の場合、バイオセンサ１０は、受容体２０Ａに含まれる阻害物質３９によって、タンパク質４２が識別物質３８や電極１６表面に到達することを抑制することとした。これによりバイオセンサ１０は、タンパク質４２が識別物質３８と結合したり、電極１６表面に付着したりすることを抑制できるので、電極１６に不要な負電荷が帯電することを抑制することができる。したがってバイオセンサ１０は、より測定感度を向上することができるので、非侵襲的に人体から採取した試料に基づきグルコース濃度をより確実に測定することができる。
【0028】
（１−４）フェニルボロン酸誘導体ごとのグルコースとの反応性の関係図２に示した識別部を備えたバイオセンサを、上記「（１−２）製造方法」に示した手順で製造した。識別部は、識別物質としてフェニルボロン酸のみと、３種類のフェニルボロン酸誘導体を用いた。フェニルボロン酸誘導体は、３−フルオロフェニルボロン酸、３−クロロフェニルボロン酸、３−ニトロフェニルボロン酸とした。阻害物質としてオリゴエチレングリコールを用いた。そして、識別部にアルブミンを含む試料を入れ、さらにグルコース濃度を徐々に変えた時の結合の強度を測定した。
【0029】
試料は、ｐＨ７．４とし、４ｇ／Ｌのアルブミンを含むリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ：Phosphate buffered saline）を用意し、これにグルコースを０ｍＭないし２０ｍＭの範囲でグルコース濃度を段階的に高くした。その結果は図３のグラフである。図３において横軸はグルコース濃度（μＭ）を示し、縦軸は結合の強度（ΔＶｏｕｔ（ｍＶ））を示す。ΔＶｏｕｔについては、次の式（１）により算出した。また、各識別物質の性質も以下に示す。項目は、Ｋａ（μＭ）、Ｖｍａｘ（ｍＶ）、相関係数Ｒ２、グルコース濃度［Ｇｌｕ］である。
【0030】
ΔＶｏｕｔ＝〔ΔＶｍａｘ［Ｇｌｕ］〕／〔（１／Ｋａ）＋［Ｇｌｕ］〕…式（１）
【0031】
・フェニルボロン酸（図３の（ｉ））Ｋａ：１９３， Ｖｍａｘ：２０２， Ｒ２：０．８６５
・３−フルオロフェニルボロン酸（図３の（ｉｉ））
Ｋａ：６８５， Ｖｍａｘ：１６３， Ｒ２：０．９５０
・３−クロロフェニルボロン酸（図３の（ｉｉｉ））
Ｋａ：７５８， Ｖｍａｘ：１９７， Ｒ２：０．９４５
・３−ニトロフェニルボロン酸（図３の（ｉｖ））
Ｋａ：１５１７， Ｖｍａｘ：３１４， Ｒ２：０．９８６
【0032】
図３の結果から、フェニルボロン酸よりも、ハロゲン基を有するフェニルボロン酸誘導体の方がグルコースとの結合力が高い。さらに、ニトロ基を有するフェニルボロン酸誘導体が最も強力な結合力を示した。従って、識別物質として、ニトロ基を有するフェニルボロン酸誘導体が最良であることが確認できる。
【0033】
図３の結果より、３−ニトロフェニルボロン酸がグルコースとの結合に最良であることを踏まえ、アミノ基−オキシエチレングリコール−ＳＡＭ（ＮＨ２／ＯＥＧ−ＳＡＭ）と、３−ニトロフェニルボロン酸−オキシエチレングリコール−ＳＡＭ（ＮＯ２ＰＢＡ／ＯＥＧ−ＳＡＭ）を調製し、Ａｕ電極の表面に形成した（図２参照）。そこで、グルコースの濃度を０ｍＭから２０ｍＭへ、２０ｍＭから０ｍＭへと変化させた際の電位変化を計測した。
【0034】
図４は双方の結果のグラフであり、図中、ＮＨ２／ＯＥＧ−ＳＡＭは（ｖ）、ＮＯ２ＰＢＡ／ＯＥＧ−ＳＡＭは（ｖｉ）である。横軸は時間（秒）、縦軸は電圧（ｍＶ）である。図４のグラフから、ＮＯ２ＰＢＡ／ＯＥＧ−ＳＡＭのみがグルコース濃度に依存して電圧変化を生じさせている。従って、３−ニトロフェニルボロン酸がグルコースとの結合に最良であり、実際に電極に形成した際にも良好な結果を示すことが確認された。
【0035】
２．第２実施形態図２との対応部分に同様の符号を付した図５を参照して、第２実施形態に係る識別部１２Ｂについて説明する。本実施形態に係る識別部１２Ｂは、識別物質３８が電極１６の一側表面に固定されていない点が第１実施形態と異なる。
【0036】
（２−１）識別部の構成識別部１２Ｂに収容された受容体２０Ｂは、識別物質３８が阻害物質４１と結合した共重合体として形成されている。本実施形態の場合、受容体２０Ｂには、さらに分解促進剤、架橋剤が含まれる。
【0037】
阻害物質４１は、親水性ポリマーで形成されている。親水性ポリマーとは親水性の官能基（水酸基、カルボキシル基）を有するポリマーであり、ハイドロゲル、紙、高吸水性ポリマー（ＳＡＰ：Superabsorbent Polymer）等である。本実施形態の場合、阻害物質４１には、ハイドロゲルが用いられる。
【0038】
ハイドロゲルは、親水性高分子鎖間が架橋されて多量の水を保持し、吸水性に優れるゲル状材料であり、例えば、ポリヒドロキシエチルメタクリレート（Ｐｏｌｙ−ＨＥＭＡ、ポリメタクリル酸２−ヒドロキシエチルとも称する。）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等が挙げられる。Ｐｏｌｙ−ＨＥＭＡは、ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）のホモポリマーであってもよく、他のモノマー（例えば、２，３−ジヒドロキシプロピルメタクリレート、グリセロールメタクリレート（ＧＭＡ）等）とのコポリマーであってもよい。なお、Ｐｏｌｙ−ＨＥＭＡは、コポリマーとした方がより含水率が高くなる傾向にある。また、ＰＶＰとしては、Ｎ−ビニル−２−ピロリドン（ＮＶＰ）のホモポリマーであってもよく、ＮＶＰを主成分として、ＨＥＭＡ、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）等と架橋剤を加えて重合したコポリマーであってもよい。
【0039】
紙は、植物繊維その他の繊維を膠着させて製造される。植物繊維は、セルロース、ヘミセルロース、リグニンから構成される。セルロースは、多数有する水酸基同士が水素結合により結合する性質を有しており、これにより紙を構成する植物繊維同士がくっつき合う。また、その他の繊維としては、鉱物、金属、合成樹脂等を繊維状にしたもの等が挙げられるが、識別物質３８をより強固に固定するという観点から、植物繊維（セルロース）で形成された紙が好ましい。
【0040】
ＳＡＰは、自重の数百倍から数千倍までの水を吸収及び保持することができる高分子である。ＳＡＰには、アクリル酸の重合体が用いられる。アクリル酸の重合体は、カルボキシル基を多数有するため、親水性が高い。さらにアクリル酸の重合体は、細目構造に架橋させ、ナトリウム塩の形態とすると高い吸水性のゲルとなる。
【0041】
その他の親水性ポリマーとしては、ヒドロキシプロピルメチルセルロース（ＨＰＭＣ）、カルボキシメチルセルロースナトリウム（ＣＭＣ−Ｎａ）、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）などのセルロース誘導体；アルギン酸、ヒアルロン酸、アガロース、デンプン、デキストラン、プルラン等の多糖類及びその誘導体；カルボキシビニルポリマー、ポリエチレンオキサイド、ポリ（メタ）アクリルアミド、ポリ（メタ）アクリル酸等のホモポリマー、当該ホモポリマーと多糖類等との共重合体、及び当該ホモポリマーを構成するモノマーと他のモノマーとの共重合体；コラーゲン、ゼラチン等のタンパク質及びその誘導体；ヘパリン、ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、デルマタン硫酸、デキストラン硫酸、ケラタン硫酸、ヘパラン硫酸等のグリコサミノグリカン、キチン、キトサン等の多糖類、ムコ多糖類を挙げることができる。
【0042】
さらには、１−ビニル−２−ピロリジノン、プロペノン酸２−メチルエステル、モノメタクリロイルオキシエチルフタレート、アンモニウムスルファトエチルメタクリレート、Ｎ−ビニルピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド、２−（メタクリロイルオキシエチル）−２−（トリメチルアンモニオエチル）ホスフェート等の親水性ポリマーを用いてもよい。上記例示した親水性ポリマーは、単独で用いてもよく、２種類以上を併用してもよい。
【0043】
重合開始剤として、公知のラジカル重合促進剤が適時選択して用いられる。好ましくは水溶性または水分散性を有し、系全体に均一に含まれるものが好ましく用いられる。具体的には、重合開始剤として、水溶性の過酸化物、例えばペルオキソ二硫酸カリウム、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、水溶性のアゾ化合物、例えばＶＡ−０４４、Ｖ−５０、Ｖ−５０１（いずれも富士フイルム和光純薬株式会社製）の他、Ｆｅ２＋と過酸化水素との混合物等を用いることができる。
【0044】
架橋剤として、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、エチレングリコールジメタクリレート、メタクリル酸ビニル等が用いられる。
【0045】
（２−２）製造方法図５に示す識別部１２Ｂは、以下の手順により製造することができる。まず、４−ビニルフェニルボロン酸誘導体０．１５ｇ、ヒドロキシエチルメタクリレート１．０ｇ、Ｎ−（３−ジメチルアミノプロピル）メタクリルアミド０．５ｇ、架橋剤としてＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドを０．０５ｇ用意し、６．７重量％アクリル酸ナトリウム水溶液（ｐＨ７．３）６．０ｇを超純水にて全量１０ｇとし容器１８内において混合し、溶解する。その後、重合開始剤としてテトラメチルエチレンジアミンを２５μＬ、ペルオキソ二硫酸カリウム７．５ｍｇを加え、重合を開始する。この状態で、窒素雰囲気下、室温にて２時間保持する。重合反応終了後、生成された共重合体を含む溶液を超純水に浸漬し、未反応成分を除去することにより、識別物質３８と阻害物質４１を共重合体させた受容体２０Ｂを得ることができる。このようにして識別部１２Ｂを製造することができる。
【0046】
（２−３）作用及び効果識別部１２Ｂでは、阻害物質である親水性ポリマーがその周囲に水分子を吸着させており溶媒親和性が高い。そのため、グルコースは水分子を介して親水性ポリマーと接触するため吸着されることなく溶媒中に溶け込む。これにより、試料に含まれるグルコースは受容体２０Ｂ中のフェニルボロン酸誘導体と結合することにより、負電荷が生じ、電極１６に帯電する。したがって識別部１２Ｂは、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0047】
また、本実施形態の受容体２０Ｂは、識別物質３８が親水性ポリマーで形成された阻害物質４１と結合し、共重合体を形成している。親水性ポリマーはその周囲に水分子を吸着させており溶媒親和性が高い。そのため、タンパク質は水分子を介して親水性ポリマーと接触するため吸着されることなく溶媒中に溶け込む。これにより識別部１２Ｂは、阻害物質４１によって試料に含まれるタンパク質が識別物質３８と結合したり、電極１６表面に付着したりすることを遮るので、より測定感度は向上する。従って、バイオセンサは、非侵襲的に人体から採取した試料に基づきグルコース濃度をより確実に測定することができる。
【0048】
（２−４）変形例図５との対応部分に同様の符号を付した図６を参照して、第２実施形態の変形例に係る識別部１２Ｃについて説明する。本実施形態に係る識別部１２Ｃは、識別物質３８が担体４４に担持されている点において第２実施形態と異なる。
【0049】
受容体２０Ｃは、担体４４と、担体４４に担持された識別物質３８と、阻害物質４１とを備え、識別物質３８が阻害物質４１と結合した共重合体で形成されている。
【0050】
担体４４は、導電性粒子、非導電性粒子を用いることができる。導電性粒子は、金属粒子、例えばＡｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｃｕ等の粒子、非金属粒子、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）、導電性ポリマー等の粒子を用いることができる。また、非導電性粒子は、例えばＳｉＯ２等の粒子を用いることができる。例えば、識別物質としてのフェニルボロン酸誘導体にチオール基（−ＳＨ）、ジスルフィド基（−Ｓ−Ｓ−）を導入し、チオール、ジスルフィドの誘導体とすることにより、Ａｕ粒子の表面にフェニルボロン酸を担持することができる。
【0051】
受容体２０Ｃを製造する手順について説明する。具体的には、まず金ナノコロイド溶液（５ｎｍ径）９ｍＬと１０ｍＭの４−メルカプトフェニルボロン酸誘導体（シグマアルドリッチ社製）／エタノール溶液を１ｍＬ混合させ、２４時間、２５℃にて静置させることでフェニルボロン酸誘導体−金ナノ粒子溶液を調製する。次にヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）１．０ｇと、上記フェニルボロン酸誘導体−金ナノ粒子溶液５ｇと、Ｎ−３−（ジメチルアミノ）プロピルメタクリルアミド０．５ｇと、６．７重量％アクリル酸ナトリウム水溶液（ｐＨ７．３）３ｇと、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド０．０５ｇとを混合し超純水で全量が１０ｇになるように調製する。その後、重合開始剤としてペルオキソ二硫酸カリウム５ｍｇ、テトラメチレンジアミン５μＬ加えることで重合は開始する。この状態で、窒素雰囲気下、室温にて２時間保持する。重合反応終了後、生成された共重合体を含む溶液を超純水に浸漬し、未反応成分を除去することにより、識別物質３８と阻害物質４１を共重合体させた受容体２０Ｃを得ることができる。このようにして識別部１２Ｃは製造される。
【0052】
担体４４に担持された識別物質３８の一部は、図７に示すように、阻害物質４１と結合し（図中、符号４５）、共重合体を形成している。そして担体４４に担持された残りの識別物質３８は、試料に含まれるグルコース４０と結合する。試料に含まれるグルコース４０は識別物質３８と結合することにより、負電荷が生じ、電極１６に帯電するので、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0053】
本変形例に係る識別部１２Ｃでは、識別物質３８は親水性ポリマーで形成された阻害物質４１と結合し、共重合体を形成している。このため、試料に含まれるタンパク質が識別物質３８と結合したり、電極１６表面に付着したりすることは遮られる。従って、本変形例の識別部１２Ｃでも、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本変形例の識別部１２Ｃは、識別物質３８を担体４４に担持することとしたから、特に紙にも容易に識別物質３８を固定することができる。
【0054】
３．第３実施形態図２との対応部分に同様の符号を付した図８を参照して、第３実施形態の識別部１２Ｄについて説明する。識別部１２Ｄは、識別物質３８上に阻害物質が層状に形成されている点が、第１実施形態と異なる。
【0055】
受容体２０Ｄは、識別物質３８で形成された薄膜４６と、当該薄膜４６上に形成され阻害物質で形成された阻害物質層４７とを備える。
【0056】
薄膜４６は、識別物質３８の一方の末端が電極１６の一側表面に吸着して形成されたＳＡＭｓである。阻害物質層４７は、ハイドロゲル、ＳＡＰ等からなる親水性ポリマーで形成されている。本実施形態の場合、阻害物質層４７は、ヒドロキシエチルメタクリレートにより形成されている。
【0057】
薄膜４６は、第１実施形態の「（１−２）製造方法」に示した手順と同様に自己組織化単分子膜を形成することにより作製することができる。具体的には、１ｍＭの４−メルカプトフェニルボロン酸の誘導体／エタノール溶液に金基板を２４時間、２５℃下にて浸漬させることで自己組織化単分子膜は作製される。
【0058】
阻害物質層４７は、以下の手順で作製する。ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）１．０ｇと、Ｎ−３−（ジメチルアミノ）プロピルメタクリルアミド０．５ｇと、６．７重量％アクリル酸ナトリウム水溶液（ｐＨ７．３）６ｇと、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド０．０５ｇとを混合し超純水で全量が１０ｇになるように調整する。その後、重合開始剤としてペルオキソ二硫酸カリウム５ｍｇ、テトラメチレンジアミン５μＬ加えることで重合は開始する。この状態は、窒素雰囲気下、室温にて２時間保持される。重合反応終了後、生成された共重合体を含む溶液は超純水に浸漬され、未反応成分は除去されて阻害物質層４７は製造される。
【0059】
最後に識別物質３８で形成された薄膜４６上に、ヒドロキシエチルメタクリレートで形成された阻害物質層４７は重ねられ、識別部１２Ｄは製造される。
【0060】
識別部１２Ｄでは、阻害物質である親水性ポリマーがその周囲に水分子を吸着させ溶媒親和性が高い。そのため、グルコース４０は、水分子を介して親水性ポリマーと接触するため吸着されることなく溶媒中に溶け込む。これによりグルコース４０が識別物質３８と結合することにより、負電荷が生じ、電極１６に帯電する。したがって識別部１２Ｄは、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0061】
本実施形態に係る受容体２０Ｄでは、電極１６上に形成された識別物質３８の薄膜４６が阻害物質層４７により覆われている。阻害物質層４７を形成する親水性ポリマーはその周囲に水分子を吸着させ溶媒親和性が高い。そのため、タンパク質は水分子を介して親水性ポリマーと接触するため吸着されることなく溶媒中に溶け込む。これにより識別部１２Ｄは、阻害物質層４７によって試料に含まれるタンパク質４２が識別物質３８と結合したり、電極１６表面に付着したりすることを遮る。そこで、より測定感度を向上することができる。従って、バイオセンサは非侵襲的に人体から採取した試料に基づきグルコース濃度をより確実に測定することができる。
【0062】
（変形例）開示の第３実施形態では、阻害物質層が１層である場合について説明したが、本発明はこれにかぎらず、分子量が異なる親水性ポリマーで形成した阻害物質層を２層以上形成してもよい。
【0063】
４．変形例本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。例えば各実施形態の場合、検出部は、ＦＥＴである場合について説明したが、本発明はこれに限らず、フォトダイオード、光電子倍増間等の受光素子、サーミスタ、水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ：Quartz Crystal Microbalance）、表面プラズモン共鳴を利用した素子等を使用することもできる。
【0064】
また、識別部と検出部は配線で電気的に接続されている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、識別部と検出部を一体に形成することとしてもよい。すなわち、検出部としてのＦＥＴのゲート絶縁膜上に直接電極を形成することとしてもよい。
【0065】
５．複合センサへの展開これまでに図示し詳述した第１、第２、第３実施形態のバイオセンサにおける識別部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄは、主にグルコースを検出対象物質とする血糖値等の糖（グルコース）の量を検出するためのバイオセンサである。そこで、生体試料（汗等）に溶解しているグルコースを基準に血中のアドレナリン量（濃度）を推定することが可能である。すなわち、グルコース量を測定するバイオセンサであるとともに、測定により得られたグルコース量から、アドレナリン等の生体内分泌成分を推定する複合センサとして構成することが可能である。
【0066】
グルコースが結合したグリコーゲンは肝臓にて合成、蓄積される。副腎髄質から分泌されるホルモンの一種の「アドレナリン」の作用により、肝臓においてグリコーゲンはグルコースに分解される。そこで、筋肉等の活動に際してグリコーゲンから分解されたグルコースが供給されて血糖値が上昇、維持される。このことから、血液、汗に含まれる糖（グルコース）の量を利用してアドレナリンの量が推定できれば、生体活動、筋肉の動きの良否も間接的に把握可能と考えられる。
【0067】
具体的に、次の第１応用形態（図９）、第２応用形態（図１０）、第３応用形態（図１１）として複合センサは構成される。なお、図９、１０、１１において、これまでに述べた検出対象物質（グルコース）と識別物質（フェニルボロン酸誘導体）との結合態様の構成について重複するため省略している。
【0068】
（第１応用形態）図９は第１応用形態の複合センサ１００（他項目生体分子計測器）の主要部構成の概略図である。複合センサ１００は所定の容器形状の検出素子１０１を備え、同検出素子１０１は計測素子１１０と配線接続される。検出素子１０１には体液採取部１０９が形成される。体液採取部１０９は公知のニードル形状であり、表面張力により皮膚表面の汗、唾液等の生体液１０２は採取され検出素子１０１内に誘導される。
【0069】
検出素子１０１内には、酸化還元電位測定電極１０６、参照電極１０７（図１の参照電極３２に相当）が装着されている。酸化還元電位測定電極１０６には、検出対象物質としてグルコース１０３を捕捉するためのグルコース捕捉分子１０８（フェニルボロン酸誘導体）が固定される。生体液１０２は汗、唾液等であることから、検出対象物質としてのグルコース１０３の他に、酸化還元電位変動因子１０４、夾雑物１０５も存在する。酸化還元電位変動因子１０４、夾雑物１０５は、タンパク質、ごみ等である。なお、複合センサ１００においても、グルコース以外の物質も酸化還元電位測定電極１０６を通じて検出するようにしても良い。これには、検出対象物質を捕捉する抗体、アプタマーが捕捉分子１０８として用いられる。
【0070】
第１応用形態の複合センサ１００（他項目生体分子計測器）にあっては、計測素子１１０を第１、第２、第３実施形態のバイオセンサに開示の電気化学デバイスが用いられる。さらに、電気化学デバイスに代えて光学デバイスを用いることができる。光学デバイスの場合、酸化還元電位測定電極１０６における変位量を光量の変化として検出できる。
【0071】
第１応用形態の複合センサ１００の計測素子１１０には、マイクロコンピュータ等の演算機器（図示せず）が実装されていてもよい。グルコースの濃度とアドレナリンの濃度の間には相関性が見られる。このため、生体内のアドレナリン濃度は、複合センサ１００において検出されたグルコース濃度からマイクロコンピュータ等による演算を通じて推定される。
【0072】
（第２応用形態）図１０は第２応用形態の複合センサ２００（他項目生体分子計測器）の主要部構成の概略図である。複合センサ２００は所定の容器形状の検出素子２０１を備え、同検出素子２０１は計測素子２１０と配線接続される。検出素子２０１には体液採取部２０９が形成される。体液採取部２０９は公知のニードル形状であり、表面張力により皮膚表面の汗、唾液等の生体液２０２は採取され検出素子２０１内に誘導される。
【0073】
検出素子２０１内には、酸化還元電位測定電極２０６、参照電極２０７（図１の参照電極３２に相当）が装着されている。酸化還元電位測定電極２０６には、検出対象物質としてグルコース２０３を捕捉するためのグルコース捕捉分子２０８（フェニルボロン酸誘導体）が固定される。生体液２０２は汗、唾液等であることから、検出対象物質としてのグルコース２０３の他に、タンパク質、ごみ等の酸化還元電位変動因子２０４、夾雑物２０５も存在する。なお、複合センサ２００においても、グルコース以外の物質も酸化還元電位測定電極２０６を通じて検出するようにしても良い。これには、検出対象物質を捕捉する抗体、アプタマーが捕捉分子２０８として用いられる。
【0074】
第２応用形態の複合センサ２００（他項目生体分子計測器）にあっては、計測素子２１０は、グルコース２０３の酸化還元電位測定電極２０６と、参照電極２０７との電位差を測定する構成である。そこで、電圧の変化からグルコースの量が推定される。
【0075】
第２応用形態の複合センサ２００の計測素子２１０にも、マイクロコンピュータ等の演算機器（図示せず）が実装されていてもよい。生体内のアドレナリン濃度は、複合センサ２００において検出されたグルコース濃度からマイクロコンピュータ等による演算を通じて推定される。
【0076】
（第３応用形態）図１１は第３応用形態の複合センサ３００（他項目生体分子計測器）の主要部構成の概略図である。複合センサ３００は所定の容器形状の検出素子３０１を備え、同検出素子３０１は計測素子３１１と配線接続される。検出素子３０１には体液採取部３１０が形成される。体液採取部３１０は公知のニードル形状であり、表面張力により皮膚表面の汗、唾液等の生体液３０２は採取され検出素子３０１内に誘導される。
【0077】
検出素子３０１内には、酸化還元電位測定電極３０６、参照電極３０７（図１の参照電極３２に相当）、対電極３０８が装着されている。酸化還元電位測定電極３０６には、検出対象物質としてグルコース３０３を捕捉するためのグルコース捕捉分子３０９（フェニルボロン酸誘導体）が固定される。生体液３０２は汗、唾液等であることから、検出対象物質としてのグルコース３０３の他に、タンパク質、ごみ等の酸化還元電位変動因子３０４、夾雑物３０５も存在する。なお、複合センサ３００においても、グルコース以外の物質も酸化還元電位測定電極３０９を通じて検出するようにしても良い。これには、検出対象物質を捕捉する抗体、アプタマーが捕捉分子３０９として用いられる。
【0078】
第３応用形態の複合センサ３００（他項目生体分子計測器）にあっては、計測素子２１１は、グルコース３０３の酸化還元電位測定電極３０６について、参照電極３０７と対電極３０８を通じて電流量の変化が計測される構成である。そこで、電流の変化からグルコースの量が推定される。
【0079】
第３応用形態の複合センサ３００の計測素子３１１にも、マイクロコンピュータ等の演算機器（図示せず）が実装されていてもよい。生体内のアドレナリン濃度は、複合センサ３００において検出されたグルコース濃度からマイクロコンピュータ等による演算を通じて推定される。
【0080】
第１ないし第３応用形態の複合センサ１００，２００，３００は、１回の皮膚接触等を通じて生体液を分取してグルコースの量を計測し体調を予測することができる。特に、採血を必要とせずに非侵襲による採取のため、頻繁な生体液の採取に都合が良い。そのため、日常生活、運動中を問わず、一定時間毎の採取も可能である。従って、計測頻度は高められ、複合センサは体調の正確な予測に大きく貢献する。
【符号の説明】
【0081】
１０ バイオセンサ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ 識別部
１４ ＦＥＴ（検出部）
１６ 電極
１８ 容器
２２ 半導体基板
２８ ゲート絶縁膜
３０ 金属電極
３１ 配線
３８ 識別物質
３９，４１ 阻害物質
４０ グルコース（検出対象物質）
４２ タンパク質（非検出対象物質）
４４ 担体
４６ 薄膜
４７ 阻害物質層
１００，２００，３００ 複合センサ
１０１，２０１，３０１ 検出素子
１０２，２０２，３０２ 生体液
１０３，２０３，３０３ グルコース（検出対象物質）
１０６，２０６，３０６ 酸化還元電位測定電極
１０７，２０７，３０７ 参照電極
１０８，２０８，３０９ グルコース捕捉分子
３０８ 対電極
１０９，２０９，３１０ 体液採取部
１１０，２１０，３１１ 計測素子