专利名称：离子浓度测定装置及离子浓度测定元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及测定生物体成分中的阳离子，尤其是钠离子和钾离子的离子浓 度测定装置。
背景技术：
作为分析生物体成分，尤其是分析血清或血浆中的电解质(钠离子和钾离 子等)的浓度的方法，有火焰光度法和离子选择性电极法等。其中，离子选择 性电极法仅通过与参比电极一起浸入试样液，就可以定量测出试样中的离子浓 度，因此目前被广泛利用。在医疗领域中，有效利用可以小型化及自动化的优 点而组装于生物化学自动分析装置上。
液膜型离子选择性电极具有添加了离子载体(配体(ligand))的电极膜， 其中的离子载体可以选择性地与特定的离子相互作用，根据测定对象离子来改 变添加于电极膜的配体，从而能够以各种离子作为分析对象。在钠离子和钾离 子等的阳离子选择性电极上，使用称为中性载体的离子感应物质。冠醚是代表 性的中性载体，可以有选择地识别符合冠醚环的空孔径的阳离子。一4殳而言， 对于锂离子适用12-冠(crown)-4，对于钠离子适用15-冠-5，对于钾离子适用 18-冠-6。另外，通过以二个冠醚环夹住阳离子，与单冠醚相比可以提高对阳 离子的选择性，对于钠离子适用14-冠-4,对于钾离子适用15-冠-5。
使用冠醚化合物的离子选择性电极，由于存在受到亲油性阴离子妨碍的问 题，所以在膜支持体即聚氯乙烯(PVC)中除配体外还混合有可塑剂或阴离子 去除剂。通常，可塑剂使用对苯二甲酸二辛酯(DOPP)或硝基苯辛醚(NPOE)， 阴离子去除剂使用亲油性盐即四苯硼钠盐。另外，为了防止从亲油性PVC膜 中配体溶出而引起离子选择性电极性能恶化，在配体上附加疏水性的侧链(例 如，长的烷基链)，使得配体的结构很复杂。在实际的测定中，由于要在将与 内部溶液连接的电极膜浸入试样溶液的条件下进行，所以在组装离子选择性电 极的时，除了电极膜的制作之外，还需要对内部标准液容器粘贴等的作业。为了解决上述的液膜型离子选择性电极的问题，简化结构及制作方法，对 应未来的分析装置的小型化，有人提出将配体在金电极表面固定的离子选择性 电极。作为钠离子选择性电极的例子，有将作为中性载体型配体的巯基冠醚化
合物在金电极上固定的报告(J.Am.Chem.Soc.,120 ( 1998) 4652-4657)。另夕卜， 作为锂离子选择性电极的例子，同样将中性载体型配体利用硫醇与金的结合在 金电极表面固定(Anal.Chem"78 (2006) 7132-7137及WO2006/113440 )。 专利文献l: WO2006/113440
非专利文献2: J.Am.Chem.Soc,，120 ( 1998) 4652-4657 非专利文献3: Anal.Chem"78 (2006) 7132-7137
发明内容
在将上述的配体在金电极表面固定的离子选择性电极中，没有考虑到金电 极表面的绝缘性和配体周围的环境，不是测定电位，而是测定阻抗，得到期望 的离子浓度。在现有的在金电极表面固定的离子选择性电极中，没有考虑金电 极表面与溶液之间的测定溶液间的绝缘性，在实际的测定中，由于在电极表面 受漏电流的影响，不能稳定地测定界面电位。阻抗测定法将由金或白金等作成 的工作电极和对置电极、用于使工作电极的电位保持恒定的参比电极配置于溶 液中，使用电流测定装置即恒电位仪，通过电流值测定相对施加于工作电极与 对置电极之间的电压的频率应答性。此时，需要向测定溶液中加入电化学活性 物质即氧化还原物质。因此，仅通过与参比电极一起浸入试样液，就可以测定 试样中的离子浓度，不需要利用现有的离子选择性电极法的优点。另外，在阻 抗测定法中，由于是电流测定法，所以在原理上存在测定浓度范围狭窄的问题。
本发明的目的在于提供一种仅通过与参比电极一起浸入试样液，就能测定 试样中的离子浓度，保持现有的离子选择性电极法的优点及测定浓度范围等的 基本性能，简化离子选择性电极的结构及制作方法的离子浓度测定装置。
为了实现上述目的，在本发明中，在金电极表面以形成自组织化膜的绝缘 性分子(例如烷硫醇(alkanethiol))为连接体(linker),将冠醚衍生物固定，该 冠醚衍生物是阳离子捕获用配体，以伴随阳离子的配位产生的电动势作为金电 极表面的界面电位变化来进行测定。此时，由于冠醚环大于自组织化膜的间隔， 所以在被固定的分子之间存在间隙的情况下，使具有比连接体长的碳链的绝缘性分子(例如烷-琉醇)与冠醚衍生物共存并固定。而且，作为电位差测量装置， 使用与金电极在同一基板上形成的绝缘栅场效应晶体管。此时，在参比电极上 叠加1KHZ以上的交流电压来进行测定。另外，为了降低生物体成分测定时杂 质吸附在电极表面产生的影响，使直链高分子聚合物物理吸附在金电极上进行 使用。
根据本发明，通过在金电极表面上隔着绝缘性分子将阳离子捕获用配体即 冠醚衍生物固定，能够提高金电极与溶液之间的绝缘性。由于这种绝缘性的提 高能够抑制在电极表面上的漏电流，能够以由阳离子配位所产生的电动势作为 金电极表面的界面电位变化来稳定地进行测定。在冠醚环大于自组织化膜的间 隔的情况下，通过使具有比连接体长的碳链的烷硫醇等绝缘性分子与冠醚衍生 物共存并固定，能够在被固定的分子之间消除间隙，保持金电极与溶液之间的 绝缘性。
而且，作为电位差测量装置，通过使用与金电极在同一基板上形成的绝缘 栅场效应晶体管，能够降低漏电流，能够稳定地测量金电极表面的界面电位。
此时，通过在参比电极上叠加lKHz以上的交流电压，能够使金电极表面的界 面电位稳定化，提高测量精度。另外，生物体成分测定时杂质吸附在电极表面 产生的干扰或偏差，通过使直链高分子聚合物物理吸附在金电极上，能够降低。
图1是表示本发明的离子浓度测定装置的一个例子的框图。 图2是表示本发明的钠离子捕获用配体的一个例子的图。 图3是表示本发明的使用FET传感器的离子浓度测定装置的一个例子的 框图。
图4是表示本发明的使用FET传感器的能同时测定多个项目的离子浓度
测定装置的一个例子的框图。
图5是表示本发明的使用FET传感器的离子浓度测定装置所使用的分析 元件的结构的一个例子的框图，(a)是剖视图，(b)是俯视图。
图6是表示与配体共存的烷硫醇的碳链的长度对与钠离子浓度相对应的 电位应答带来的影响的图。蔽性增高的图。
图8是表示与连接体的长度不同的别的配体共存的烷硫醇的碳链的长度 对与钠离子浓度相对应的电位应答所带来的影响的图。
图9是表示与配体共存的烷硫醇的碳链长度对与钠离子浓度相对应的电 位应答带来的影响的图。
图10是表示与配体共存的烷硫醇的末端电荷对与钠离子浓度相对应的电
位应答带来的影响的图。
图11是表示对应于显示向FET传感器施加交流电压的效果的钠离子浓度 的电位应答的图，(a)表示向FET传感器施加交流电压时与测定的钠离子浓 度相对应的电位应答的测定结果，(b)表示与以通常的电位测定装置测定的钠 离子浓度相对应的电位应答的测定结果。
图12是表示对应于显示向FET传感器施加交流电压的效果的钠离子浓度 的电位应答的图，(a)表示与以通常的电位测定装置测定的钠离子浓度相对应 的电位应答的测定结果，(b)表示向FET传感器施加交流电压时与测定的钠 离子浓度相对应的电位应答的测定结果。
图13是表示对应于显示向FET传感器施加交流电压的效果的钠离子浓度 的电位应答的图，(a)表示与以通常的电位测定装置测定的钠离子浓度相对应 的电位应答的测定结果，(b)表示向FET传感器施加交流电压时与测定的相 对钠离子浓度相对应的电位应答的测定结果。
符号说明
101， 301， 401-测定部；102， 302， 402-信号处理电路;103， 303, 403 -数据处理装置；104-电位差测量装置；105, 305 -参比电极；106, 406-供给含有测定物质的试验溶液的试样溶液注射器；107, 308， 407-测定槽； 108， 314， 418-测定溶液；109, 312 -阳离子捕获用配体即冠醚衍生物;110， 313, 415, 417-烷石克醇；111， 413-金电极；304， 404, 501 -绝缘才册场效应 晶体管；306-电源；307 -供给含有测定物质的试验溶液的试样溶液注射器； 309, 408， 411， 502 —源才及；310， 409, 412， 503 -漏才及；311, 410 —金电才及； 405 -模拟参比电极；414-钠离子捕获用配体即15-冠-5衍生物；416-钠离 子捕获用配体即18-冠-6衍生物；504-栅极绝缘物；506-绝缘栅场效应晶体管的栅极；507-导电性配线。
具体实施例方式
以下参照
本发明的实施方式。
图1是表示本发明的离子浓度测定装置的一个例子的框图。本发明的测定 装置包括测定部101、信号处理电路102及数据处理装置103。测定部101具 备电位差测量装置104、参比电极105、供给含有测定物质的试样溶液的试样 溶液注射器106及测定槽107。在测定槽107内的测定溶液108中，配置有将 作为阳离子捕获用配体的冠醚衍生物109与作为绝缘性分子的烷硫醇110固定 的金电极lll、参比电极105。这里，作为钠离子捕获用配体虽然使用单体的 15-冠-5衍生物，但也可以使用双体的双(12-冠-4)衍生物。作为15-冠-5衍 生物，可以使用图2(a)所示的连接体的碳链长度为6个的2-[ (6-巯基己醇) 氧]曱基-(15-冠-5 )或图2 (b)所示的连接体碳链长度为10个的2-[ (10-巯 基癸醇)氧]曱基-(15-冠-5),作为双(12-冠-4)衍生物用可以使用图2 (c) 所示的二 ( 1,4,7，10-四氧杂环十二烷基-2基曱基)曱基(6-正己基硫 (sulfanylhexyl))。另外，作为此时共存的绝缘分子的烷硫醇的碳链的长度，如 果为冠醚衍生物连接体的碳链的长度以上，则没有问题。例如，在冠醚衍生物 的连接体的碳链的长度为6的情况下，也可以使用6-己烷硫醇、8-辛烷硫醇、 11-十一烷硫醇、14-十四烷基硫醇、18-十八烷基硫醇。另外，作为钠离子捕获 用配体只要使用12-冠-4衍生物即可，作为钾离子捕获用配体只要使用18-冠-6 衍生物或双(15-冠-5 )书f生物即可。
测定顺序如下。首先，使用试样溶液注射器106向测定槽107内的测定溶 液108中注入试样溶液。试样溶液中的测定对象即钠离子与阳离子捕获用配体 即冠醚衍生物109基于离子-偶极子相互作用而形成配位化合物，在金电极111 的表面，在钠离子与其对位阴离子之间引起电荷分离。其结果，金电极lll上 的界面电位产生变化。电位测定就是，通过电位差测量装置104实时测量通过 试样溶液注射器106注入试样溶液前后的变化了的金电极111的界面电位，由 信号处理电路102及数据处理装置103进行记录。金电极111上的界面电位变 化依赖于测定对象即钠离子的浓度。因此，能以预先测定标准溶液作成的检量 线为基础，根据已测定的电位变化值得到未知浓度的试样的钠离子浓度。试样溶液注射器106可以使用注射器泵或加压式输液装置。另外，也可以取代金电 极1U而使用由银等的其它贵金属或碳构成的电极。另外，为了降低生物体成 分测定时杂质吸附在电极表面所产生的影响，也可以使直链高分子聚合物物理 吸附在金电极上来使用。作为直链高分子聚合物，使用曱基纤维素、丙烯酰胺、 葡聚糖、聚乙二醇等即可。
或化学反应的电位变化，参比电极105提供作为基准的电位。作为参比电极，
通常使用在内部溶液中使用饱和氯化钾的银/氯化银电极或甘汞(氯化汞)电 极，但在测定的试样溶液的组成为一定的情况下，作为模拟电极即使仅使用银 /氯化银电极也没有问题。
以下，参照
本发明的其它实施方式。图3是表示本发明的使用场 效应晶体管(Field Effect Transistor: FET)传感器的离子浓度测定装置的一个 例子的框图。本发明的测定装置包括测定部301、信号处理电路302及数据处 理装置303。测定部301具备绝缘栅场效应晶体管304、参比电极305、在参 比电极305上施加电压的电源306、供给含有测定物质的试样溶液的试样溶液 注射器307及测定槽308。绝缘栅场效应晶体管304具备源极309、漏极310 及与栅极电气连接的金电极311。在金电极311上固定有阳离子捕获用配体即 冠醚衍生物312和烷硫醇313。在测定槽308内的测定溶液314中配置有将阳 离子捕获用配体即冠醚衍生物312和烷硫醇313固定的金电极311、参比电极 305。
测定顺序如下。首先，使用试样溶液注射器307向测定槽308内的测定溶 液314中注入试样溶液。试样溶液中的测定对象即钠离子与阳离子捕获用配体 即冠醚衍生物312基于离子-偶极子相互作用而形成配位化合物，在形成于绝 缘栅场效应晶体管304上的金电极311的表面，钠离子与其对位阴离子之间引 起电荷分离，其结果导致金电极311上的界面电位产生变化。电位测定就是， 通过实时监测通过试样溶液注射器307注入试样溶液前后的绝缘栅场效应晶 体管304内的源极309、漏极310之间的变化的电流，通过信号处理电路302 及数据处理装置303进行记录。金电极311上的界面电位变化依赖于测定对象 即钠离子的浓度。因此，能以预先测定标准溶液作成的检量线为基础，根据已测定的电位变化值得到未知浓度的试样的钠离子浓度。为了降低测定外部变化 引起的影响，电源306优选为含有交流成分的电源。此时，通过在直流成分上
叠加lKHz以上的交流电压，可以期待金电极311表面电位的稳定化。试样溶 液注射器307可以使用注射器泵或加压式输液装置。另外，金电极311也可以 使用由银等的其它贵金属或碳构成的电极。另外，为了降低生物体成分测定时 杂质吸附在电极表面所产生的影响，也可以使直链高分子聚合物物理吸附在金 电极上使用。作为直链高分子聚合物，如果使用曱基纤维素、丙烯酰胺、葡聚 糖、聚乙二醇等，则没有问题。
或化学反应的电位变化，参比电极305提供作为基准的电位。作为参比电极， 通常使用在内部溶液中使用饱和氯化钾的银/氯化银电极或甘汞(氯化汞)电 极，但在测定的试样溶液的组成为一定的情况下，作为模拟电极即使仅使用银 /氯化银电极也没有问题。
图4是表示本发明的使用FET传感器的能同时测定多个项目的离子浓度 测定装置的一个例子的框图。本发明的测定装置包括测定部401、信号处理电 路402及数据处理装置403。测定部401具备绝缘栅场效应晶体管404、模拟 参比电极405、供给含有测定物质的试样溶液的试样溶液注射器406及测定槽 407。绝缘栅场效应晶体管404具备多个由源极408、漏极409、与栅极电连接 的金电极410以及与源极411、漏极412、栅极电连接的金电极413构成的组 合。另外，在与金电极410、 413同一平面上设置有模拟参比电极405。模拟 参比电极405通过导电性配线与外部连接。作为模拟参比电极可以使用银/氯 化银、金、白金等。在金电极411、 413上分别固定有不同的阳离子捕获用配 体即冠醚衍生物，以能对应多个项目的离子。在本实施例中，在金电极410 上固定有钠离子捕获用配体即15-冠-5衍生物414与烷疏醇415，在金电极413 上固定有钾离子捕获用配体即18-冠-6衍生物416与烷硫醇417。在测定槽407 内的测定溶液418中配置有将钠离子捕获用配体即15-冠-5衍生物414和烷硫 醇415固定的金电极410、将钾离子捕获用配体即18-冠-6衍生物416和烷硫 醇417固定的金电极413、模拟参比电极405。
测定顺序如下。首先，使用试样溶液注射器406向测定槽407内的测定溶液418中注入试样溶液。试样溶液中的测定对象即钠离子与钠离子捕获用配体
即15-冠-5衍生物414、钾离子与钾离子离子捕获用配体即18-冠-6衍生物416 分别基于离子-偶极子相互作用而形成配位化合物。其结果导致金电极410、413 上的界面电位对应钠离子浓度及钾离子浓度而产生变化。电位测定就是，通过 实时监测通过试样溶液注射器406注入试样溶液前后的绝缘栅场效应晶体管 404内的源极408、漏极409之间及源极411 、漏极412之间的变化的电流， 由信号处理电路402及数据处理装置403进行记录。测定对象即钠离子及钾离 子的浓度，能以预先测定标准溶液作成的检量线为基础，根据已测定的电位变 化值来得到。此时，为了降低测定外部变化所产生的影响，通过在模拟参比电 极405上施加于直流成分上叠加lKHz以上的交流电压的电压，可以期待金电 极410、 413表面电位的稳定化。试样溶液注射器406可以使用注射器泵或加 压式输液装置。另外，金电极410、 413也可以使用由银等其它的贵金属或碳 构成的电才及。
图5是表示本发明的使用FET传感器的离子浓度测定装置所使用的分析 元件的结构的一个例子的框图。图5 (a)、 (b)分别示出剖面结构及俯视结构。 绝缘栅场效应晶体管501在硅基板的表面形成源极502、漏极503及栅极绝缘 物504，并设置有金电极505。由导电性配线507连接金电极505与绝缘栅场 效应晶体管的栅极506。优选绝缘栅场效应晶体管为以硅氧化物作为绝缘膜使 用的金属氧化物半导体(Metal - oxide semiconductor)场效应晶体管(FET)， 但使用薄膜晶体管(FET)也没有问题。通过釆用本结构，可以在任意场所且 任意大小地形成金电极505,能根据测定对象的试样溶液量改变测定槽的容 积。
在本实施例中使用的绝缘栅场效应晶体管是具有使用了 Si02 (厚度 17.5nm)的绝缘层的耗尽型FET，以400pim x 400pm的大小制作金电极。通 常的测定中，由于使用水溶液，所以关键元件必须在溶液中工作。在溶液中测 定的情况下，需要在难以引起电化学反应的-0.5 0.5V的电极电位范围内工 作。因此，在本实施例中调节耗尽型n沟道FET的制作条件，即调节临界值 电压(Vt)调节用离子注入条件，将FET的临界值电压设定在-0.5V附近。 再者，也可以取代金电极而使用由银等其它的贵金属构成的电极。在同一基板上具有2个以上FET传感器的元件通过在同一基板上形成多个图5的FET传 感器而制成。此时成为问题的FET传感器之间的串音(cross talk)通过作成SOI (Silicon on Insulator,绝缘硅)结构能够降低。
用其它的实施例说明在通过绝缘性分子的连接体将阳离子捕获用配体即 冠醚衍生物固定在金电极表面上之际，使具有比连接体长的碳链的绝缘性分子 即烷硫醇与冠醚衍生物共存而进行固化的效果。
在金电极表面固定配体按以下顺序进行。首先，对固定所使用的金电极按 1N硝酸、纯水、乙醇的顺序进行清洗，再对金电极表面进行氮气清洗。接着， 在配体与烷硫醇的混合溶液(各自的浓度0.5mM，溶剂乙醇)中浸泡l小 时。在固定结束后，在0.1M辟u酸钠溶液中在95。C下加热处理IO分钟。其后， 用乙醇及纯水进行清洗，在使用之前保存在氯化钠水溶液中。
图6表示与配体共存的烷硫醇的碳链的长度对与钠离子浓度相对应的电 位应答所带来的影响。相对应于钠离子浓度的电位应答使用氯化钠水溶液进行 测定，比较在浓度范围为4.5mM-300mM内的斜率灵敏度(即电极表面的电 动势)。另外，电位测定值是浸泡5分钟后的值。在本实施例中，作为钠离子 用配体使用以1-己硫醇为连接体的15-冠-5衍生物的一个例子，即2-[(6-巯基 己醇)氧]曱基-(15-冠-5 ),作为烷硫醇使用疏水性烷硫醇，即l-己硫醇(l-HT)、 1-辛烷硫醇(l-OT)、 1-十一烷硫醇(l-UDT)、 1-十四烷基硫醇(l-TDT)、 1-十八烷基硫醇(l-ODT)。
如图6所示，若共存的烷硫醇的碳链长度变长，则使碳链长度不同的烷硫 醇共存并固定的钠离子电极的斜率灵敏度变大，当碳链长度为11以上时，则
斜率灵敏度为恒定(约50mV/decade )。我们认为这是由于烷硫醇埋入冠醚衍 生物之间的间隙，妨碍离子进入。另外，当碳链的长度为18以上时，则电位 变得不稳定。我们认为这是由于若烷硫醇的碳链长度过长，在冠醚衍生物上会 重新产生间隙。烷^琉醇的长度如为与冠醚相同的高度，则较好，在本实施例的 情况下，由于冠醚相当于3-4个碳链的长度，所以若考虑与配体结合的》灰《连 和醚结合的长度，则具有13-14个碳链的l-TDT最适合。 一般而言，只要使 用具有相当于冠醚与结合在冠醚上的连接体的长度之和的长度的碳链的烷碌^ 醇即可。另外，碳链长度长于18的烷硫醇，由于碳链之间相互缠绕等，所以也存在难于固定的问题。
以金电极表面的电容比较因烷硫醇共存所引起的金电极表面屏蔽性的增
高(图7)。作为配体，使用单体冠醚衍生物，即2-[ (6-巯基己醇)氧]曱基-(15-冠-5)。图中的横轴表示A:没有固定的金电极，B:仅固定配体的金电 极，C:固定配体与l-HT的金电极，D:固定配体与l-OT的金电极，E:固 定配体与1-UDT的金电极，F:固定配体与l-TDT的金电极，G:固定配体与 l-ODT的金电极。在仅将配体向金电极固定的情况下，与未固定的金电极表 面的情况相比，电容约降低16%。当共存的烷硫醇的碳链为18个时，则电容 减少至1/10以下。在使用结合了本次使用的15-冠-5衍生物的配体的情况下， 由于冠醚环大于自组织化膜的间隔，所以认为在被固定的分子之间存在间隙， 与固定通常的烷硫醇的情况相比电容变大。 一般而言，使用烷硫醇的自组织化 膜的固定密度为4.4x 10"个/cm 但在仅固定2-[ (6-巯基己醇)氧]曱基-(15-冠-5)情况下的实测值为2.9±0.27个/cm2,稍《敖存在间隙。这样，我们认为 由于金电极表面的电容减少，屏蔽性增加，所以斜率灵敏度升高。
图8表示与连接体的长度不同的别的配体共存的烷硫醇的碳链的长度，对 与钠离子浓度相对应的电位应答所带来的影响。对应于钠离子浓度的电位应答 使用氯化钠水溶液进行测定，比较在浓度范围为4.5 mM ~ 300 mM内的斜率灵 敏度。另外，电位测定值是浸泡5分钟后的值。在本实施例中，作为钠离子用 配体使用连接体的碳链长度为10个的2-[ ( 10-巯基癸醇)氧]曱基-(15-冠-5 )， 作为烷硫醇使用疏水性烷硫醇，即1-十一烷硫醇(l-UDT)、 1-十四烷基硫醇 (l-TDT)、 1-十八烷基硫醇(l-ODT)。如图8所示，若共存的烷疏醇的碳链 长度变长，则使各种碳链长度不同的烷硫醇共存并固定的钠离子电极的斜率灵 敏度变大。与连接体的碳链长度为6的2-[ ( 6-巯基己醇)氧]曱基-(15-冠-5 ) 比较，在连接体的碳链长度为10的2-[ ( 10-巯基癸醇)氧]曱基-(15-冠-5 )中， 在仅有配体的情况下也能得到某种程度的斜率灵^:度。我们认为这是由于通过 加长连接体的碳链长度而降低了冠醚衍生物之间的间隙的影响。
图9表示与别的配体共存的烷硫醇的碳链长度，对与钠离子浓度相对应的 电位应答所带来的影响。对应于钠离子浓度的电位应答使用氯化钠水溶液进行 测定，比较在浓度范围为4.5mM 300mM内的斜率灵敏度。另外，电位测定值是浸泡5分钟后的值。在本实施例中，作为钠离子用配体使用双体冠醚衍生
物的一个例子即二 (1,4，7，10-四氧杂环十二烷基)曱基(6-正己基硫)，作为烷 硫醇使用疏水性烷硫醇，即1-己硫醇(l-HT)、 1-辛烷硫醇(l-OT)、 1-十一烷 硫醇(1-UDT)、 1-十四烷基硫醇(l-TDT)、 1-十八烷基硫醇(l-ODT)。如图 9所示，若与单体的冠醚衍生物的情况同样地共存的烷硫醇的碳链长度变长， 则使各种碳链长度不同的烷硫醇共存并固定的钠离子电极的斜率灵敏度变大。 这样，通过使在单体与双体任何一个的情况下都共存的烷硫醇碳链长度比附加 在配体上的连接体的碳链长度长，从而提高相对钠离子浓度的斜率灵敏度。
对于使与阳离子捕获用配体即冠醚衍生物共存并固定在金电极表面的烷 硫醇的电荷的影响以下进行说明。图IO表示与配体共存的烷硫醇的末端电荷 对于与钠离子浓度相对应的电位应答所带来的影响。对应于钠离子浓度的电位 应答使用氯化钠水溶液进行测定，比较在浓度范围为4.5 mM ~ 300 mM内的斜 率感度。另外，电位测定值是浸泡5分钟后的值。
图10(a)表示，作为钠离子用配体使用连接体的碳链长度为6个的2-[(6-巯基己醇)氧]曱基-(15-冠-5),作为烷硫醇使用末端具有氩氧基的6-羟基-1-己硫醇(6-HHT)、末端具有氨基的6-氨基-l-己硫醇(6-AHT)、末端具有羧基 的5-羧基-l-戊硫醇(5-CPT)及具有亲水性二甘醇且碳链为18的三甘醇-单体 -11國巯基癸醇醚(Trietyleneglycol-mono誦11画mercaptodecylether: TGM )的情况 下的斜率灵敏度。图10(a)中的横轴表示A:仅固定配体的金电极，B:固 定配体与6-HHT的金电极，C:固定配体与6-AHT的金电极，D:固定配体 与5-CPT的金电才及，E:固定配体与TGM的金电极。
图10(b)表示，作为钠离子用配体使用连接体的碳链长度为10个的2-[( 10--巯基癸醇)氧]曱基-(15-冠-5 ),作为烷硫醇使用末端具有氢氧基的11-羟基 -l-十一烷硫醇(ll-HUT)、末端具有氨基的ll-氨基-l-十一烷硫醇(ll-AUT)、 末端具有羧基的10-羧基-l-癸烷硫醇(IO-CDT)及具有亲水性二甘醇且碳链为 18的三甘醇-单体-ll-巯基癸醇醚(TGM)的情况下的斜率灵敏度。图10 (b) 中的横轴表示A:仅固定配体的金电极，B:固定配体与ll-HUT的金电极， C:固定配体与ll-AUT的金电极，D:固定配体与10-CDT的金电极，E:固 定配体与TGM的金电极。如图10 (a)所示，在连接体的碳链长度为6个的配体的情况下，通过向 烷硫醇的末端导入电荷，斜率灵敏度升高，但斜率灵敏度的大小为与使碳链为 6个的1 -HT共存的情况相同程度或其以下。在使碳链的长度相当于18个的 TGM共存的情况下为，使相同碳链长度的18-ODT共存的情况下斜率灵敏度 的1/5以下。如图10 (b)所示，即使在连接体的碳链长度为IO个的配体的情 况下，也能看到同样的倾向。通过向共存的烷硫醇的末端导入电荷，与仅有配 体的精况相比，斜率灵敏度在所有的情况下均降低。在碳链的长度相当于18 个的TGM的情况下也为，使相同的碳链长度的18-ODT共存的情况下的斜率 灵敏度的l/2以下。如图6、 8及10所示，通过向与配体共存的烷^琉醇导入具 有电荷的亲水基，降低了对应于钠离子浓度的斜率灵壽文度。即，与钠离子捕获 用配体共存的烷硫醇为疏水性，且碳链长度比钠离子捕获用配体的连接体的碳 链长为好。
用其它实施例说明本发明向FET传感器施加交流电压的效果。图11 (a) 表示为了看到向FET传感器施加交流电压的效果而在参比电才及施加频率为 lMHz、中心电压为100mV、振幅电压为200mV的交流的情况下与钠离子浓 度相对应的电位应答。对应于钠离子浓度的电位应答使用氯化钠水溶液进行测 定，比较浓度范围为4.5mM 300mM内的斜率灵敏度。另外，电位测定值是 浸泡5分钟后的值。在本实施例中，作为钠离子用配体使用15-冠-5衍生物的 一个例子，即2-[ (6-巯基己醇)氧]曱基-(15-冠-5),作为烷硫醇使用疏水性 烷硫醇，即1-十八烷基硫醇(l-ODT)。晶体管的电流/电压特性的测定使用半 导体参数分析仪(Agilent 4155C, Semiconductor Parameter Analyzer)进行， 根据预先得到的FET电流/电压特性曲线计算出栅极电压(Vg)。图11 (b)表 示为了看到施加交流电压的效果而作为参考实验在参比电极上叠加直流电压 的情况下与钠离子浓度相对应的电位应答。在参比电极上叠加高频率的情况的 电位应答(相关系数，R2 = 0.979)，与在参比电极上施加直流电压的情况的电 位应答(相关系数，r2-0.944)相比,波动小，较稳定。
用其它实施例说明本发明向FET传感器施加交流电压的效果。 为了调查FET传感器与进行施加交流电压的高频率叠加法的组合效果， 对以通常的电位测定装置测定仅将作为钠离子用配体的单体15-冠-5衍生物的一个例子即2-[ ( 6-巯基己醇)氧]曱基-(15-冠-5 )在金电极表面固定的离子电 极的情况与向FET传感器施加交流电压进行测定的情况进行比较。图12(a)、 (b)分别表示以通常的电位测定装置测定的对应于钠离子浓度的电位应答和 向FET传感器施加交流电压测定的对应于钠离子浓度的电位应答。如图12(a) 所示，在以图1所示的通常的电位测定装置进行测定的情况下，对应于钠离子 浓度的电位应答为，若钠离子浓度变高(约100mM以上)，则显示出不同的 动向。
另一方面，如图12(b)所示，在向FET传感器施加交流电压进行测定的 情况下，对应于钠离子的浓度取得良好的电位应答。另外，对以通常的电位测 定装置测定仅将作为钠离子用配体的双体双(12-冠-4)衍生物的一个例子即 二 (1，4，7,10-四氧杂环十二烷基)曱基(6-正己基硫)在金电极表面固定的离 子电极的情况与向FET传感器施加交流电压进行测定的情况进行比较。图13 (a)、 (b)分别表示以通常的电位测定装置测定的钠离子浓度电位应答和向 FET传感器施加交流电压进行测定的相对钠离子浓度的电位应答。如图13(a) 所示，在以图1所示的通常的电位测定装置进行测定的情况下，相对钠离子浓 度的电位应答为，若钠离子浓度变高(约70mM以上)，则显示出不同的动向。 另一方面，如图13 (b)所示，在向FET传感器施加交流电压进行测定的 情况下，相对于钠离子的浓度取得良好的电位应答。在本实施例中，向参比电 极施加频率lMHz的交流电压，但只要是频率为lKHz以上的交流电压就没有 问题。这样的结果，我们认为是由于在通常的电位测定的情况下，若钠离子浓 度变高，则离子进入冠醚衍生物之间的间隙，电位变得不稳定，但通过对FET 传感器应用高频率叠加法，妨碍离子进入冠醚衍生物之间的间隙，可使电位稳 定。这样，作为电位测定装置，使用与金电极在同一基板上形成的绝缘栅场效 应晶体管，通过在测定时在参比电极上叠加lKHz以上的高频率，能够精确地 测定在金电极上产生的反应过程(离子捕获)。另外，为了降低生物体成分测 定时杂质吸附在电极表面产生的影响，也可以在金电极上物理吸附直链高分子 聚合物进行使用。
权利要求
1.一种离子浓度测定装置，其特征在于，具备将含有测定对象物质的测定溶液导入其中的容器，与所述容器中的测定溶液相接触的离子选择性电极，与所述容器中的测定溶液相接触的参比电极，以及测定所述离子选择性电极的界面电位的电位计；在所述离子选择性电极上固定有结合了第1绝缘性分子与冠醚衍生物的物质和第2绝缘性分子，所述第2绝缘性分子的碳链长度大于所述第1绝缘性分子的碳链长度。
2. 根据权利要求1所述的离子浓度测定装置，其特征在于 所述第1绝缘性分子及第2绝缘性分子是烷硫醇。
3. 根据权利要求1所述的离子浓度测定装置，其特征在于 所述离子选择性电极是贵金属制或碳制。
4. 根据权利要求1所述的离子浓度测定装置，其特征在于 对钠离子、钾离子或锂离子的浓度进行测定。
5. —种离子浓度测定装置，其特征在于，具备将含有测定对象物质的测定溶液导入其中的容器， 场效应晶体管，与所述场效应晶体管的栅极通过配线连接，与所述容器中的测定溶液相接 触的离子选择性电极，与所述容器中的测定溶液相接触的参比电极， 向所述参比电极施加电压的电源，以及 检测所述场效应晶体管的输出的检测部；在所述离子选择性电极上固定有结合了第1绝缘性分子与冠醚衍生物的 物质。
6. 根据权利要求5所述的离子浓度测量装置，其特征在于 在所述离子选择性电极上固定有结合了绝缘性分子与冠醚衍生物的所述物质以及第2绝缘性分子。
7. 根据权利要求6所述的离子浓度测量装置，其特征在于所述第2绝缘性分子的碳链长度大于所述第1绝缘性分子的碳链长度。
8. 根据权利要求6所述的离子浓度测量装置，其特征在于 所述第1绝缘性分子及第2绝缘性分子是烷^琉醇。
9. 根据权利要求5所述的离子浓度测定装置，其特征在于 所述离子选择性电极是贵金属制或碳制。
10. 根据权利要求5所述的离子浓度测定装置，其特征在于 对钠离子、钾离子或锂离子的浓度进行测定。
11. 根据权利要求5所述的离子浓度测定装置，其特征在于 所述电源施加交流电压。
12. 根据权利要求5所述的离子浓度测定装置，其特征在于 所述电源施加lKHz以上的频率的交流电压。
13. 根据权利要求5所述的离子浓度测定装置，其特征在于 所述参比电极与所述场效应晶体管在同一基板上形成。
14. 根据权利要求5所述的离子浓度测定装置，其特征在于2个以上的所述场效应晶体管与所述参比电极存在于同 一基板上。
15. —种离子浓度测定元件，其特征在于， 具有场效应晶体管，以及将结合了第1绝缘性分子与冠醚衍生物的物质在表面上固定的离子选择 性电极；所述场效应晶体管的栅极与所述离子选择性电极通过导电性配线连接。
16. 根据权利要求15所述的离子浓度测定元件，其特征在于 在所述离子选择性电极上，使结合了所述第1绝缘性分子与冠醚衍生物的所述物质与碳链长度大于所述第1绝缘性分子碳链长度的第2绝缘性分子共存 并固定。
17. 根据权利要求16所述的离子浓度测定元件，其特征在于 所述第1绝缘性分子及第2绝缘性分子是烷疏醇。
18. 根据权利要求15所述的离子浓度测定元件，其特征在于2个以上的所述场效应晶体管、所述离子选择性电极及所述参比电极存在于同一基板上。
19.根据权利要求15所述的离子浓度测定元件，其特征在于:所述离子选择性电极是贵金属制或碳制。
全文摘要
本发明提供一种离子浓度测定装置，其可测定生物体成分中的阳离子，尤其是钠离子和钾离子的离子浓度，并可以简化离子选择性电极的结构及制作方法。在金电极(111)表面使将形成自组织化膜的绝缘性分子(例如烷硫醇)与连接体结合的阳离子捕获用配体即冠醚衍生物(109)与具有比连接体长的碳链的烷硫醇(110)共存并固定，以伴随阳离子的配位产生的电动势作为金电极表面的界面电位变化，通过电位差测量装置(104)进行测定。而且，作为电位差测量装置，使用与金电极在同一基板上形成的绝缘栅场效应晶体管。另外，为了降低生物体成分测定时杂质吸附在电极表面产生的影响，使直链高分子聚合物物理吸附在金电极上来进行使用。
文档编号G01N27/403GK101294927SQ20081009123
公开日2008年10月29日 申请日期2008年4月23日 优先权日2007年4月27日
发明者三宅雅文, 山下浩太郎, 柴田康久, 石毛悠, 釜堀政男 申请人:株式会社日立高新技术