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JP2695024B2 - Improving the sensitivity and ion selectivity of ion channel membrane biosensors - Google Patents

Improving the sensitivity and ion selectivity of ion channel membrane biosensors

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Publication number
JP2695024B2
JP2695024B2 JP1508923A JP50892389A JP2695024B2 JP 2695024 B2 JP2695024 B2 JP 2695024B2 JP 1508923 A JP1508923 A JP 1508923A JP 50892389 A JP50892389 A JP 50892389A JP 2695024 B2 JP2695024 B2 JP 2695024B2
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membrane
ion channel
biosensor
conductance
biosensor according
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JP1508923A
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ダミエン ジョン オスマン,ピーター
アンドリュー コーンネル,ブルース
ラギューズ,バークハード
ジョージ キング,リオネル
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Australian Membrane and Biotechnology Research Institute Ltd
Original Assignee
Australian Membrane and Biotechnology Research Institute Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明の分野 本発明は、一般に少なくとも一つのイオンチャンネル
を有する膜からなるバイオセンサーに関するものであ
る。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to biosensors consisting of a membrane having at least one ion channel.

本発明にもとづくバイオセンサーの一例では、イオン
チャンネルのコンダクタンスは膜を横切る電界に依存す
る。
In one example of a biosensor according to the present invention, the conductance of the ion channel depends on the electric field across the membrane.

また、本発明は分離かつ整列した膜からなるバイオセ
ンサーに関するもので、それぞれの膜には少なくとも一
つのイオンチャンネルが設けられ、それぞれのイオンチ
ャンネルのコンダクタンスが個別に測定可能である。
The present invention also relates to a biosensor comprising separate and aligned membranes, each membrane being provided with at least one ion channel, and the conductance of each ion channel can be individually measured.

従来技術 両親媒性分子は、溶液中で凝集して2次元あるいは三
次元の集合体、例えば単層、ミセル、黒膜、ベシクルま
たはリポゾームを形成する。
Prior Art Amphiphilic molecules aggregate in solution to form two-dimensional or three-dimensional aggregates, such as monolayers, micelles, black membranes, vesicles or liposomes.

このベシクルは単一のコンパートメントまたは複数の
コンパートメントからなるマルチラメラ型の構造を有す
る。膜を介したイオンの選択性と流れは、膜が有するチ
ャンネルまたはポアの数、大きさおよび化学的組成に依
存するものである。これらのチャンネルまたはポアを通
って溶質分子が膜を透過する。
The vesicle has a multi-lamellar structure consisting of a single compartment or multiple compartments. The selectivity and flow of ions across the membrane is dependent on the number, size and chemical composition of the channels or pores in the membrane. Solute molecules permeate the membrane through these channels or pores.

また、イオノフオアと呼ばれるある種の分子を膜に取
り込むことも知られている。このイオノフオアは膜を介
したイオンの輸送を促進する。イオンチャンネルはイオ
ノフオアのある特定の形とも言えるもので、チャンネル
を通ってイオンが膜を透過する。一つのイオンチャンネ
ルによって膜を横切る電流の測定方法はすでに知られて
おり、一つのイオンチャンネルあたりの電流の値は普
通、4pAである。
It is also known to incorporate into the membrane certain molecules called ionophores. This ionophore promotes the transport of ions across the membrane. Ion channels are also a specific form of ionophore, through which ions permeate the membrane. Methods for measuring the current across a membrane by one ion channel are already known, and the current value per ion channel is usually 4 pA.

バイオセンサーに、イオンチャンネルを有する膜を用
いることはすでに提案されており、例えば係続中の特許
出願No.WO89/01159(1989年2月9日公開)にはイオン
チャンネルを有する膜と取り込んだバイオセンサーが開
示されている。この出願の開示内容は関連出願の相互参
照にもとづいて本明細書に記載する。
It has already been proposed to use a membrane having an ion channel for a biosensor. For example, pending patent application No. WO89 / 01159 (published on February 9, 1989) incorporates a membrane having an ion channel. Biosensors are disclosed. The disclosure content of this application is described herein based on cross-references of related applications.

本発明の詳細な説明 本発明は、それぞれの膜の少なくとも一つの脂質膜が
少なくとも一つのゲートイオンチャンネルを有する膜か
らなるバイオセンサーに関するもので、それぞれの膜は
近接して重ねられた(密に詰まった)自己凝集性両媒性
分子配列からなる。また、少なくとも一つのゲートイオ
ンチャンネルは膜を横切って与えられた電界に依存した
コンダクタンスを有する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a biosensor in which at least one lipid membrane of each membrane comprises a membrane having at least one gated ion channel, each membrane being closely stacked (closely packed). It consists of self-aggregating amphipathic molecular arrays (packed). Also, at least one gated ion channel has a conductance dependent on an electric field applied across the membrane.

本発明のこの見地の好ましい実施態様では、バイオセ
ンサーは複数の不連続な脂質膜からなり、それぞれの膜
のコンダクタンスは個別に測定可能である。
In a preferred embodiment of this aspect of the invention, the biosensor comprises a plurality of discrete lipid membranes, the conductance of each membrane being individually measurable.

本発明の第二の見地では、本発明はバイオセンサーは
複数の不連続な脂質膜からなり、それぞれの膜は少なく
とも一つのゲートイオンチャンネルを含み、それぞれの
膜は密に詰まって配列した自己凝集性両親媒性分子から
なり、それぞれの膜のコンダクタンスは個別に測定可能
である。
In a second aspect of the invention, the biosensor comprises a plurality of discontinuous lipid membranes, each membrane comprising at least one gated ion channel, each membrane being a tightly packed array of self-assembled It consists of a sex amphipathic molecule, and the conductance of each membrane can be measured individually.

ここで用いられる用語「ゲートイオンチャンネル」は
アナライトの存在に依存してイオンを通過させるイオン
チャンネルを意味している。
As used herein, the term "gated ion channel" means an ion channel that allows the passage of ions depending on the presence of the analyte.

また、「電界効果イオンチャンネル」はイオンチャン
ネルを取り込んだ膜を横切るようにして与えられた電界
に依存したコンダクタンスを示すイオンチャンネルを意
味している。
Further, the “field effect ion channel” means an ion channel exhibiting a conductance depending on an electric field applied so as to traverse the membrane incorporating the ion channel.

両親媒性分子は一般に親水性の「頭」と一つまたは複
数の「尾」とを有する界面活性剤分子である。界面活性
剤は既知のどのようなものでもよく、例えば、カチオン
性(例として、四級アンモニウム塩)、アニオン性(例
えば、有機スルホン酸塩)、両イオン性(例えば、フオ
スファチジルコリン、ファスチジルエタノールアミ
ン)、膜スパンニング脂質、または非イオン性(例え
ば、ポリエーテル物質)である。好ましくは、両親媒性
分子は交差結合できるようなものである。このため、ビ
ニル、メタクリレート、ジアセチレン、イソシアノまた
はスチレン基のような交差結合可能な部分が頭群および
尾群の両方に含まれる必要がある。そのような群は、好
ましくはフクダらの文献(Fukuda et al.J.Amer.Chem.S
oc.,1986,108 2321-2327)に記載されたようなスペーサ
ー基を介して両親媒性分子に結合している。
Amphipathic molecules are generally surfactant molecules having a hydrophilic "head" and one or more "tails". The surfactant may be any known one, eg cationic (eg quaternary ammonium salt), anionic (eg organic sulfonate), zwitterionic (eg phosphatidylcholine, fascin). (Tidylethanolamine), membrane spanning lipids, or nonionics (eg, polyether materials). Preferably, the amphipathic molecule is such that it can cross-link. For this reason, crosslinkable moieties such as vinyl, methacrylate, diacetylene, isocyano or styrene groups must be included in both the head and tail groups. Such groups are preferably from Fukuda et al. (Fukuda et al. J. Amer. Chem. S.
oc., 1986, 108 2321-2327) and is attached to an amphipathic molecule via a spacer group.

重合は、不飽和モノマーの重合に用いられるどのよう
な方法でも可能であろう。そのような方法としては、フ
リーラジカル開始剤の存在または非存在下における加
熱、およびセンシタイザー(sensitizer)または開始剤
の存在または非存在下における放射が含まれよう。
Polymerization could be by any method used to polymerize unsaturated monomers. Such methods would include heating in the presence or absence of a free radical initiator and radiation in the presence or absence of a sensitizer or initiator.

本発明の好ましい実施態様では、両親媒性分子は少な
くとも一つの他の該当部分と架橋結合可能な少なくとも
一つの部分を含むか、もしくは修飾されている。
In a preferred embodiment of the invention, the amphipathic molecule comprises or has been modified with at least one moiety capable of cross-linking with at least one other relevant moiety.

本発明に用いられるイオンチャンネルは、好ましくは
ヘリックス形成および凝集可能なペプチド、ポダンド、
コロナンド、おびクリプタンドからなる群から選択され
る。しかし、現在好ましいものはヘリックスまたは凝集
体形成可能なペプチドからなるイオンチャンネルであ
る。
The ion channel used in the present invention is preferably a peptide capable of forming a helix and aggregating, a podand,
It is selected from the group consisting of coronand and cryptand. However, presently preferred are ion channels consisting of peptides capable of forming helices or aggregates.

ポダンド、コロナンドおよびクリプタンドはすでに科
学文献に記載されている(例:V.F.Kragten et al.,J.Ch
em.Soc.Chem.Commun.1985,1275;O.E.Sielcken et al.J.
Amer.Chem.Soc.1987,109,4261;J.G.Neevel et al.,Tetr
ahedron Letters,1984,24,2263)。
Podands, coronands and cryptands have already been described in the scientific literature (eg VFKragten et al., J. Ch.
em.Soc.Chem.Commun.1985,1275; OESielcken et al.J.
Amer. Chem. Soc. 1987, 109, 4261; JGNeevel et al., Tetr
ahedron Letters, 1984, 24, 2263).

αヘリックスを形成するペプチドは一般にイオンチャ
ンネルを形成するために膜内において凝集体として存在
する必要がある。典型的なαヘリックスからなるペプチ
ドは、イオンチャンネルが凝集体を介して形成されるよ
うにして凝集体を形成する。
Peptides that form α-helices generally need to exist as aggregates within the membrane to form ion channels. Peptides consisting of a typical α-helix form aggregates as the ion channels are formed through the aggregates.

現時点はイオンチャンネルはβヘリックスを形成する
ペプチドであることが好ましい。そのようなペプチドの
例としては、ポリペプチドのグラミシジンAが挙げられ
る。この分子に関しては、多くの研究がなされている
(より詳細な情報は、コーネルらの文献:生体膜と生体
エネルギー学 1987年、第655-676頁(Cornell B.A.Bio
membranes and Bioenergetics 655-676,1987))。この
グラミシジンAはイオンチャンネルとしての機能を有
し、非極性生体膜を横切る極性チャンネンルとしての機
能する。また、グラミシジンAはバチラス菌(Bacillus
brevis)から抽出もしくは合成によって得ることがで
きる。リン脂質二重層において、グラミシジンAはこの
二重層の疎水領域に実質的に挿入されたラセン状のダイ
マーとして存在すると考えられている。
At present, the ion channel is preferably a β-helix forming peptide. An example of such a peptide is the polypeptide gramicidin A. Much work has been done on this molecule (for more detailed information, see Cornell et al .: Biomembranes and bioenergetics, 1987, 655-676 (Cornell BABio
membranes and Bioenergetics 655-676, 1987)). This gramicidin A has a function as an ion channel, and functions as a polar channel across a nonpolar biological membrane. In addition, gramicidin A is Bacillus
brevis) and can be obtained by extraction or synthesis. In the phospholipid bilayer, gramicidin A is believed to exist as a helical dimer with substantial insertions in the hydrophobic region of this bilayer.

本発明においてイオンチャンネルとして利用される分
子のさらならる例として、グラミシジンB、グラミシジ
ンC、グラミシジンGm−、グラミシジンGN−、グラミシ
ジンA′(デユボス(Dubos))、バンド3タンパク
質、バクテリオロドプシン、メリチン、アラメチシン、
アラメチシン類似体、ポリン、チロコジン、およびチロ
スリシンが挙げられる。
Further examples of molecules used as ion channels in the present invention include gramicidin B, gramicidin C, gramicidin Gm-, gramicidin GN-, gramicidin A '(Dubos), band 3 protein, bacteriorhodopsin, melittin, Alamethicin,
Included are alamethicin analogs, porins, thyrocodins, and tyrosricins.

以後の記載において、グラミシジンの仲間を単にグラ
ミシジンと呼ぶことにする。
In the following description, the gramicidin family will be simply referred to as gramicidin.

グラミシジンの特別な例として、膜が単層である場
合、グラミシジンの単量体をイオンチャンネルとして用
いることができよう。膜が二重層である場合、グラミシ
ンAの合成類似体をイオンチャンネルとして用いること
ができよう。また、膜が二重層であるところに2つのグ
ラミシジン単量体からなるイオンチャンネルが存在し、
それぞれの単量体は異なる層に存在する。このような例
では、グラミシジンA単量体は層を拡散移動することが
可能で、2つの単量体が一列に並んだ場合にイオンチャ
ンネルが二重層を貫いて形成される。
As a special example of gramicidin, if the membrane is a monolayer, the monomer of gramicidin could be used as an ion channel. If the membrane is a bilayer, synthetic analogues of Gramicin A could be used as ion channels. In addition, there is an ion channel composed of two gramicidin monomers in the membrane having a double layer,
Each monomer is in a different layer. In such an example, the gramicidin A monomer can diffuse and migrate through the layer, and an ion channel is formed through the bilayer when the two monomers are aligned.

上気したように、イオンチャンネルは開閉自在に(ゲ
ート)されている。このゲートはイオンチャンネルの端
部に結合した受容体部分によってなされる。普通、受容
体部分は第一状態にあるが、アナライトが結合した場合
は第二状態に移行する。このような状態の変化はイオン
チャンネルのイオン透過性に変化を与える。
As I thought, the ion channel is openable and closable (gate). This gate is made by the acceptor moieties attached to the ends of the ion channels. Normally, the acceptor moiety is in the first state, but transitions to the second state when the analyte binds. Such a change in state changes the ion permeability of the ion channel.

受容体部分の第一状態とは、イオンチャンネルが閉じ
ている状態を意味する。アナライトが受容体部分に結合
すると、イオンチャンネルをイオンが通過する第二状態
に移行する。このような様式では、イオンチャンネルを
単一の分子からなるアナライトのような小さな分子の検
出に利用することが可能であろう。この場合、イオンチ
ャンネルへアナライトの単一分子が結合すると、イオン
チャンネルが開くことによるイオンの漏れが起こり、こ
の漏れが短時間経過することによって受容体に対するア
ナライトの結合の信号としてこの漏れを検出することが
可能である。
The first state of the receptor part means a state in which the ion channel is closed. When the analyte binds to the acceptor moiety, it transitions through the ion channel to a second state in which the ion passes. In this manner, the ion channel could be used to detect small molecules such as single molecule analytes. In this case, when a single molecule of the analyte binds to the ion channel, ion leakage occurs due to the opening of the ion channel, and a short period of this leakage causes this leakage as a signal of the binding of the analyte to the receptor. It is possible to detect.

当業者に容易に理解されるように、別の様式として受
容体部分の第一状態においてイオンチャンネルがイオン
を通過させることができ、第二状態でイオンの通過が阻
害される様式がある。このような様式では、受容体部分
は必要とするアナライトに結合し、このアナライトの結
合に依存してイオンチャンネルを第一状態から第二状態
に移行させることが可能な化学物質からなる。また受容
体部分部分は他の分子を認識可能な化合物または組成物
である。そのような受容体の天然に存在するものの例と
して、抗体、抗原、酵素、レクチン、色素等が挙げられ
る。例えば、抗原に対する受容体は抗体であり、また抗
体に対する受容体は抗−抗体、または、好ましくは、特
定の抗体に認識される抗原である。
As will be readily appreciated by those skilled in the art, another mode is one in which the ion channel allows the passage of ions in the first state of the receptor moiety and inhibits the passage of ions in the second state. In this manner, the acceptor moiety consists of a chemical entity that binds to the required analyte and, depending on the binding of this analyte, shifts the ion channel from the first state to the second state. The acceptor moiety is also a compound or composition that can recognize other molecules. Examples of naturally occurring such receptors include antibodies, antigens, enzymes, lectins, dyes and the like. For example, the receptor for an antigen is an antibody, and the receptor for an antibody is an anti-antibody, or, preferably, an antigen recognized by a particular antibody.

ゲート機構のより詳細な説明は系続中の国際出願(N
o.W089/01159)に記載されている。
For a more detailed explanation of the gate mechanism, please refer to the pending international application (N
o.W089 / 01159).

この機構はコンダクタンスの電界依存性にもとづくも
のであることが知られている。それは第一に、イオンチ
ャンネルの電気化学的ポテンシャルにもとづく。第二に
電界が与えられることによって起こるイオンチャンネル
の変形である。よって、電界を与えることによって、極
性、両極性、または分極可能な基の配向が変化し、イオ
ンチャンネルがゆがむか、もしくは電気化学的ポテンシ
ャルが変わり、相互コンダクタンスが影響される。電界
によって好適に調整される相互コンダクタンスをイオン
チャンネルに与えるために、極性、両極性または分極可
能な基をイオンチャンネルから除去またはイオンチャン
ネルに取り込む必要があろう。例えば、グラミシジンA
の高両極性トリプトファン環において残基をかなり低い
分極可能性を有するものへ置換することは、コンダクタ
ンスをポテンシャル依存性の高いものにする。他の例
は、電界を与えられた時に六量体からなるイオンチャン
ネルを形成するアラメシチンである。
It is known that this mechanism is based on the electric field dependence of conductance. It is primarily based on the electrochemical potential of the ion channel. The second is the deformation of the ion channel caused by the application of an electric field. Thus, applying an electric field changes the orientation of polar, ambipolar, or polarizable groups, distorts the ion channel, or changes the electrochemical potential, affecting transconductance. Polar, bipolar or polarizable groups may need to be removed from or incorporated into the ion channel in order to provide the ion channel with a transconductance that is suitably adjusted by the electric field. For example, gramicidin A
Substituting residues in the highly ambipolar tryptophan ring of E. coli with much lower polarizability makes the conductance more potential-dependent. Another example is alamecithin, which forms hexameric ion channels when subjected to an electric field.

本発明のイオンチャンネルは、種々の残基によって調
整されるもので、そのような残基の例を第1表に示し
た。
The ion channel of the present invention is regulated by various residues, and examples of such residues are shown in Table 1.

第1表 a)両極性基:− 非対称性分子の適当な誘導体、特に電子供与基(例、
アルコキシアルキル置換基)、電子受容基(例、アルキ
ルまたはアリルカルボキシル酸、アルデヒド、ケトン、
ニトリルまたはニトロ化合物またはそれらの組合わさっ
たもので、例えばアルコキシニトロリル誘導体)、また
は荷電された両極性種、例えば両極性イオン、イリド。
Table 1 a) Ambipolar groups: -Suitable derivatives of asymmetric molecules, especially electron donating groups (eg,
Alkoxyalkyl substituents), electron accepting groups (eg, alkyl or allylcarboxylic acids, aldehydes, ketones,
Nitriles or nitro compounds or combinations thereof, such as alkoxy nitrolyl derivatives), or charged amphoteric species, such as amphoteric ions, ylide.

b)極性基:− 陽性または陰性電荷を有する種(例、アンモニア塩ま
たはカルボキシル酸塩)。
b) Polar groups: -species with positive or negative charges (eg ammonia salts or carboxylates).

c)分極可能基:− 分極可能性が大きい電子雲を含む種(例、ハロゲン化
物、ニトリル、イオウ誘導体、リン誘導体、アリル、ア
セチレンまたはオレフィン誘導体)。
c) Polarizable group: -A species containing a highly polarizable electron cloud (eg, halide, nitrile, sulfur derivative, phosphorus derivative, allyl, acetylene or olefin derivative).

上記から明らかなように、ゲートイオンチャンネルは
両親媒性分子と架橋結合している。しかし、現在のとこ
ろゲートイオンチャンネルは膜の中を側方拡散するもの
であることが望ましい。ゲートイオンチャンネルの膜を
側方拡散する能力はバイオセンサーの感度を高めるもの
であることが以下の記述から明らかであろう。
As is clear from the above, the gated ion channel is crosslinked with the amphipathic molecule. However, at present it is desirable that the gated ion channel be one that diffuses laterally through the membrane. It will be apparent from the description below that the ability of the gated ion channel to laterally diffuse through the membrane enhances the sensitivity of the biosensor.

上記したように、本発明の第一または第二の様相にも
とづくバイオセンサーが複数の不連続な脂質膜からなる
場合、それぞれの膜のコンダクタンスは個別に測定可能
である。それぞれの膜のコンダクタンスは、好ましくは
(1)それぞれの膜に対する分離した高インピーダンス
測定ライン(separate high impedance measuring lin
e)を提供すること、および/または(2)膜の多重化
(multiplexing the membranes)によって測定される。
現時点で好ましいことは、分離した膜の多くが用いられ
るところでは膜の多重化およびより好ましくは一連の膜
の多重化によって個々の測定がなされる。多重化が利用
されるところでは、多重化ラインは好ましくは励起値ホ
ールド/クランプされる低インピーダンス励起(または
信号源)ラインで、回路の中にスイッチされたときに配
列のそれぞれの要素のための回路を完全なものにするた
めにグラウンド基準にホールドされた高インピーダンス
電流感知ラインをともなう。ひとつの電流感知ラインが
使用されることが望ましいと考えられる一方で、複数の
電流感知ラインが配置されるべきであると認識される。
これらのどれもが最適な感度を有するバイオセンサーと
してなるべきである。
As described above, when the biosensor according to the first or second aspect of the present invention is composed of a plurality of discontinuous lipid membranes, the conductance of each membrane can be individually measured. The conductance of each membrane is preferably (1) a separate high impedance measuring line for each membrane.
e) and / or (2) by the multiplexing of the membranes.
Presently preferred is where individual measurements are made by membrane multiplexing, and more preferably by a series of membrane multiplexing where many separate membranes are used. Where multiplexing is used, the multiplexing line is preferably a low impedance excitation (or source) line that is held / clamped to the excitation value, for each element of the array when switched into the circuit. With a high impedance current sensing line held to ground reference to complete the circuit. While it may be desirable for one current sensing line to be used, it is recognized that multiple current sensing lines should be located.
Any of these should be biosensors with optimal sensitivity.

多重化を用いて膜のコンダクタンスの個別測定を実施
する場合、ゲートイオンチャンネルは電界効果イオンチ
ャンネルであることが望ましい。また、FEICを含む複数
の分離膜は2次元配列に配列されていることが望まし
い。このような様式では、2次元の配列においてひとつ
の次元にあるそれぞれのアドレスラインは電界効果イオ
ンチャンネルによって他の次元あるアドレスラインから
の信号と相互変調する信号成分を有するので、複合信号
からマルチプレックスラインが誘導される。
When performing individual measurements of membrane conductance using multiplexing, the gated ion channel is preferably a field effect ion channel. Further, it is desirable that the plurality of separation membranes including FEIC are arranged in a two-dimensional arrangement. In this manner, each address line in one dimension in a two-dimensional array has a signal component that intermodulates with the signal from the address line in the other dimension by the field effect ion channel, so that from a composite signal to a multiplex. The line is guided.

本発明のバイオセンサーは、電界効果イオンチャネル
を含む複数の膜からなり、膜を横切る電気的ポテンシャ
ルを与えることを可能とするために、少なくとも一つの
電極がそれぞれの膜の一側面に配置され、膜の他側面に
配置された一つの電極と相互作用するものであることが
望ましい。また、それぞれの膜が個別の電極それぞれ与
えられる信号のマルチプレキシングによってアドレスさ
れることが好ましい。
The biosensor of the present invention comprises a plurality of membranes containing field effect ion channels, at least one electrode being disposed on one side of each membrane to enable application of an electrical potential across the membrane, It preferably interacts with one electrode located on the other side of the membrane. It is also preferred that each membrane is addressed by multiplexing the signals applied to each individual electrode.

上記したように、イオンチャンネルを取り込んだ脂質
膜からなるバイオセンサーを提供する。このバイオセン
サーは、通常、イオンチャンネルを有する脂質膜からな
り、抗体または抗原のようなアナライトがイオンチャン
ネルに結合した際にそのイオン性コンダクタンスが修飾
される。電界効果イオンチャンネル(FEIC)は、このよ
うなバイオセンサーの改善に用いられ、またその適用に
関しては以下の原則がある。
As described above, a biosensor comprising a lipid membrane incorporating an ion channel is provided. This biosensor usually consists of a lipid membrane having ion channels, and its ionic conductance is modified when an analyte such as an antibody or an antigen binds to the ion channels. Field effect ion channels (FEIC) have been used to improve such biosensors and have the following principles for their application.

1.オンに対するオフ抵抗値の増加は、ゲートイオンチ
ャンネルにおけるノイズに対する電気的信号比を改善す
る。
1. Increasing the OFF resistance value to ON improves the electrical signal to noise ratio in the gate ion channel.

2.所定時間に所定量のアナライトに対するセンサーと
反応する分子の能力はセンサーの面積に依存する。
2. The ability of a molecule to react with a sensor for a given amount of analyte at a given time depends on the area of the sensor.

3.非線形コンダクタンスはノイズに対するセンサー信
号の改善に利用される。
3. Non-linear conductance is used to improve the sensor signal against noise.

本願では、オンに対するオフ抵抗の比を増加させるこ
とができ、また分路容量は分子がセンサーに拡散するの
に要する時間を増加させることなく減少する。また、電
界効果イオンチャンネルは顕著な伝導信号を作りだすの
に用いられる。これらの技術はバイオセンサーの感度お
よび選択性を著しく強化することに利用される。
In the present application, the ratio of off resistance to on can be increased and the shunt capacitance is reduced without increasing the time it takes for the molecule to diffuse into the sensor. Also, field effect ion channels are used to create significant conduction signals. These techniques are used to significantly enhance the sensitivity and selectivity of biosensors.

バイオセンサーの感度は、国際特許出願WO89/01159に
記載されているように脂質膜抵抗、すなわち脂質膜に取
り込まれたイオンチャンネルのオフに対するオン抵抗と
イオンチャンネル抵抗との比に部分的に依存している。
イオンチャンネルに対する脂質の比があまりにも大きい
場合、センサーの電気的インピーダンスが低いので感知
過程におけるインピーダンス変化の検知は非常に難し
い。同様に、イオンチャンネルの絶対数が非常に多い場
合、通常閉じている場合はイオンチャンネルからの漏れ
電流により、また通常開いている場合はイオンチャンネ
ルに存在するコンダクタンスにより、センサーの電気的
インピーダンスは低下する。
The sensitivity of the biosensor depends in part on the lipid membrane resistance, that is, the ratio of the on-resistance to the off-state of the ion channel incorporated into the lipid membrane and the ion channel resistance, as described in International Patent Application WO 89/01159. ing.
When the ratio of lipid to ion channel is too large, it is very difficult to detect the impedance change during the sensing process because the electrical impedance of the sensor is low. Similarly, if the absolute number of ion channels is very high, the sensor's electrical impedance will drop due to leakage current from the ion channel when normally closed and due to conductance present in the ion channel when normally open. To do.

感度を改善するために、結合現象の最小数に対する信
号応答を増加させるため、イオンチャンネル数とセンサ
ーの表面積とを減少させることができる。しかし、減少
した表面積は感知する部位へアナライトが拡散するため
の時間が長くなること、また検知する確率が減少するこ
とを意味する。別の方法、フロースルーテクニック(fl
ow through techniques)は好適であるとは思えない。
なぜなら、少量のアナライトは高感度試験(例えば、一
滴)を意味する少量のアナライトと、膜を混乱させるア
ナライトの流入によるノイズ発生とによる。
The number of ion channels and the surface area of the sensor can be reduced in order to increase the signal response to a minimum number of binding events in order to improve the sensitivity. However, the reduced surface area means that it takes longer for the analyte to diffuse to the sensing site and that the probability of detection is reduced. Another method, flow-through technique (fl
ow through techniques do not seem suitable.
A small amount of analyte is due to the small amount of analyte, which means a sensitive test (eg, one drop), and the generation of noise due to the influx of analyte that disrupts the membrane.

ここで提唱する方法は、小さな領域からなるセンサー
配列を設け、またアナライト感知点を移動させるために
センサー配列間をスイッチさせるものである。このスイ
ッチングは既知の電気的マルチプレクサー(electronic
multiplexer)によってなされるが、2次元配列のため
にアドレスラインの少なくとも半分は高インピーダンス
を必要とする。あるいは、感知イオンチャンネルとして
FEICを使用することが可能である。この場合、低インピ
ーダンスを利用する2次元配列の感知成分間をスイッチ
ングすることが可能であり、下記の実施例に高インピー
ダンスの一例を示す。
The method proposed here is to provide a sensor array consisting of a small area and to switch between the sensor arrays to move the analyte sensing point. This switching is based on the known electrical multiplexer (electronic
However, due to the two-dimensional array, at least half of the address lines require high impedance. Or as a sensing ion channel
It is possible to use FEIC. In this case, it is possible to switch between the sensing components of a two-dimensional array using low impedance, and an example of high impedance is shown in the following embodiment.

診断上の信頼性は種々の機能的に異なる試験を実施す
ることによって、また機能的に同一の試験を繰り返す統
計的な測定を実施することによって改善される。このよ
うな場合は、バイオセンサー配列をスキャンする能力が
好適であり、バイオセンサー間をスイッチングする機能
の有効性が求められる。
Diagnostic reliability is improved by performing various functionally different tests and by performing statistical measurements that repeat functionally identical tests. In such cases, the ability to scan the biosensor array is preferred and the effectiveness of the function of switching between biosensors is required.

感度を改善するための第二の方法は、FEICゲートイオ
ンチャンネルバイオセンサーの利用を含むものである。
このバイオセンサーは脂質膜コンダクタンスのような妨
害信号と容易に識別できるコンダクタンス特性を有する
ものである。この方法については下記の実施例に示す。
A second method to improve sensitivity involves the use of FEIC gated ion channel biosensors.
This biosensor has a conductance characteristic that can be easily distinguished from an interfering signal such as a lipid membrane conductance. This method is shown in the examples below.

本発明の本質にもとづいて、より好適な態様は下記の
実施例に対する記載と図とによって明らかになるであろ
う。
Based on the essence of the present invention, more preferable embodiments will be apparent from the following description of the examples and the drawings.

第1図は、電界によって修飾されたイオンチャンネル
の概略を示すもので、Aは修飾された頭部群を示し、B
は修飾された側鎖を示し、そしてCは多価のイオンチャ
ンネルを示す。
FIG. 1 shows an outline of ion channels modified by an electric field, where A is a modified head group and B is a modified group.
Indicates a modified side chain, and C indicates a multivalent ion channel.

第2図は、低インピーダンスのバイオセンサーマルチ
プレクサーの概略構成を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a low impedance biosensor multiplexer.

第3図は、金属またはガラス電極を示すもので、Aは
側面図、Bは正面図である。
FIG. 3 shows a metal or glass electrode, where A is a side view and B is a front view.

第4図は、インピーダンスブリッジの概略を示す図で
ある。
FIG. 4 is a diagram showing an outline of the impedance bridge.

第5図は、3端子ブッリジの概略を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing an outline of the three-terminal bridge.

第6図は、平衡電圧インピーダンスブリッジの概略を
示す図である。
FIG. 6 is a schematic diagram of a balanced voltage impedance bridge.

第7図は、2端子ブリッジの概略を示す図である。 FIG. 7 is a schematic diagram of a two-terminal bridge.

第8図は、バイオセンサーチップを表わす。 FIG. 8 shows a biosensor chip.

第9図は、第8図のA−A線に沿った断面図である。 FIG. 9 is a sectional view taken along the line AA in FIG.

第10図は、第8図のB−B線に沿った断面図である。 FIG. 10 is a sectional view taken along the line BB in FIG.

実施例1 電界によって変調を受けた相互コンダクタンス(field
modulated transconductance)を有するイオンチャンネ
ル 相互コンダクタンスの変調を目的として、イオンチャ
ンネル構造の多くの部分に極性基を取り込む。例を挙げ
れば、イオンチャンネルは極性、両極性または分極可能
な残基がイオンチャンネルの頭部領域、側鎖および二重
体結合の部分に局在する。
Example 1 Transconductance (field) modulated by an electric field
Ion channel with modulated transconductance Incorporating polar groups into many parts of the ion channel structure for the purpose of modulating transconductance. By way of example, ion channels localize polar, ambipolar or polarizable residues in the head region, side chains and part of the duplex bond of the ion channel.

一般的には、相互コンダクタンス変調の機構は直接的
な電気化学ポテンシャルの変調である。構成的変化によ
る電気化学ポテンシャルの構成的変化または変調にイオ
ンチャンネルのゆがみが生ずる。
In general, the mechanism of transconductance modulation is direct electrochemical potential modulation. Distortion of the ion channel occurs in the constitutive change or modulation of the electrochemical potential due to the constitutive change.

このようなイオンチャンネルの相互コンダクタンスを
測定する好適な方法はパルス信号またはAC信号を利用す
ることである。このことは、信号バンド幅を大きく保
ち、好ましくない電気化学的効果を避け、DC信号に耐え
る二重層よりも高い電界強度を許す。
The preferred method of measuring the transconductance of such ion channels is to use pulsed or AC signals. This keeps the signal bandwidth large, avoids undesired electrochemical effects and allows higher field strengths than double layers that withstand DC signals.

実施例2 電界によって変調を受けた頭部群を有するイオンチャン
ネル この場合、極性、両極性、または分極可能な残基は直
接的に、あるいはリンカー基を介して、周辺脂質頭部群
(第1図a)領域にあるイオンチャンネルの口に結合し
ている。このようなイオンチャンネルは脂質単層または
二重層のなかに取り込まれているか、またはすでにイオ
ンチャンネルを含む単層または二重層に連続して結合し
た第二のフイルムとして埋め込まれているものであろ
う。
Example 2 Ion Channels with Headgroups Modulated by Electric Field In this case, polar, ambipolar, or polarizable residues are either directly or via a linker group, surrounding lipid headgroups (first It is bound to the mouth of the ion channel in region a). Such ion channels may have been incorporated into lipid monolayers or bilayers, or embedded as a second film in series with monolayers or bilayers already containing ion channels. .

このようなイオンチャンネルの形状は、実施例3およ
び4のものと同様の感受性を有するものではない。なぜ
なら、頭部領域において電界強度を弱める高極性電解質
分子が周囲に存在するからである。
The shape of such an ion channel does not have the same sensitivity as those of Examples 3 and 4. This is because there are surrounding highly polar electrolyte molecules that weaken the electric field strength in the head region.

もし、このイオンチャンネルが脂質二重層に保持され
ているとすると、感受性を高めるために脂質二重層のそ
れぞれの側面上に反対の極性を有する極性基を用いるこ
とも可能である。
If this ion channel is retained in the lipid bilayer, it is also possible to use polar groups with opposite polarities on each side of the lipid bilayer to increase sensitivity.

実施例3 電界によって変調を受けた側鎖 このイオンチャンネルでは、イオンチャンネルが脂質
膜の低誘電率領域のなかに横たわるようにするために極
性、両極性または分極可能な残基は側鎖に結合される
(第1図b)。例は第1表に示した。
Example 3 Side Chains Modulated by Electric Field In this ion channel, polar, bipolar or polarizable residues are attached to the side chains to allow the ion channels to lie in the low dielectric constant region of the lipid membrane. (Fig. 1b). Examples are given in Table 1.

実施例4 電界によって変調を受けた重合体のイオンチャンネル このイオンチャンネルでは、複数のモノマー(例えば
アラメチシンまたはグラミシジン)がイオンチャンネル
を形成するようにして組合わさっている。
Example 4 Polymeric Ion Channels Modulated by an Electric Field In this ion channel, a plurality of monomers (eg, alamethicin or gramicidin) are combined to form an ion channel.

これらの単量体は化学的に、あるいは物理的に結合し
ており、またすでに述べた極性、両極性またはイオン化
した基を有している。イオンチャンネルを変形、阻害、
集合させたりするような電界を与えることによってその
イオンコンダクタンスが変調される。第1図(c)は側
鎖として結合した両極性残基を有する二重体を示してい
る。両極性基に作用する電界による二重体のゆがみは、
二重体結合の部分に構造的変化を引き起こすことによっ
て二重体の相互コンダクタンスを変調させる。
These monomers are chemically or physically bound and have the polar, amphoteric or ionized groups already mentioned. Deform, block ion channels,
The ionic conductance is modulated by applying an electric field that causes them to aggregate. FIG. 1 (c) shows a duplex with ambipolar residues attached as side chains. The distortion of the double body due to the electric field acting on the bipolar group is
Modulates the transconductance of the duplex by causing a structural change in the part of the duplex bond.

実施例5 電界によって変調されたイオンチャンネルを用いた生
体分子スイッチ配列 電界効果イオンチャンネルの配列は、イオン流の調整
を必要とする時に利用されよう。特に、バイオセンサ
ー、または電気泳動のような化学的分析技術分野にその
適用分野が見出される。
Example 5 Biomolecular Switch Array Using Ion Channels Modulated by Electric Field Arrays of field effect ion channels may be utilized when adjustment of ion flow is required. In particular, it finds its application in the field of chemical analysis techniques such as biosensors or electrophoresis.

a.電界効果イオンチャンネルの一次元配列は、単一共通
高インピーダンスシグナル感受性電極および分離低イン
ピーダンス信号感知電極を用いて各チャンネルにアドア
レスされる。
A one-dimensional array of field effect ion channels is added to each channel using a single common high impedance signal sensitive electrode and a separate low impedance signal sensitive electrode.

b.高密度のイオンチャンネルは、二次元配列によってア
ドレスされる。この二次元配列では、イオンチャンネル
の各側面は分離電極によてアドレスされる。この場合、
アドレスラインの半分は、相互変調を減少させるために
高インピーダンスでなければならない。この高インピー
ダンスによって製造およびスグナルバンド幅の問題が生
じるであろう。
b. High density ion channels are addressed by a two dimensional array. In this two-dimensional array, each side of the ion channel is addressed by a separate electrode. in this case,
Half of the address lines must be high impedance to reduce intermodulation. This high impedance will cause manufacturing and signal bandwidth issues.

c.二次元の配列によって高密度イオンチャンネルがアド
レスされる。この二次元配列では、チャンネルの一側面
は2つのアドレスラインと電気容量的に、または電気抵
抗的に電極と結合している。アドレスラインはFEICのよ
うな非線形コンダクタンスのような非線形伝達点に適用
された時に相互変調する信号の低インピーダンス源とし
て用いられる。よって、配列上の変調電極間のスイッチ
ングによって、配列上の分離エレンメントがアドレスさ
れる(第2図)。単一の高インピーダンス測定電極だけ
が必要とされる。
c. Two-dimensional array addresses high density ion channels. In this two-dimensional array, one side of the channel is capacitively or electrically resistively coupled to two address lines and electrodes. The address lines are used as a low impedance source of intermodulated signals when applied to a non-linear transfer point such as a non-linear conductance such as FEIC. Thus, switching between the modulation electrodes on the array addresses the separate elements on the array (FIG. 2). Only a single high impedance measurement electrode is needed.

第2図は、ゲートイオンチャンネル10、励起源12、変
調源14、転移機能解析装置16、アドレスライン配列18、
および共通感知ライン19からなる膜配列を有する低イン
ピーダンスバイオセンサー多重化装置の概略を示すもの
である。
FIG. 2 shows a gate ion channel 10, an excitation source 12, a modulation source 14, a transfer function analysis device 16, an address line array 18,
1 shows a schematic of a low impedance biosensor multiplexing device having a membrane array consisting of and common sensing line 19.

複数のアドレスラインはチャンネルの同一側面にあ
り、また信号は十分標識されているので、アドレスライ
ンは低インピーダンス信号を運ぶことができる。また、
その場合に反対側に配置されていないので相互変調を生
じない。作動のための技術として、イオンチャンネルは
変調可能な独特の相互コンダクタンス特性を有すること
が必要であり、ゆえにFEICを使用する必要がある。アド
レス電極は直流または交流が組合わさったものである。
The address lines can carry low impedance signals because the address lines are on the same side of the channel and the signals are well labeled. Also,
In that case, since they are not arranged on the opposite side, no intermodulation occurs. As a technique for actuation, the ion channel needs to have a unique transconductance characteristic that can be modulated, and thus the use of FEIC. The address electrode is a combination of direct current and alternating current.

FEICの二次元配列の製造のために、電気的伝導性を有
する物質と絶縁性物質とが交互に重なってなる多層基板
をエッチングすることによって電極および抵抗またはコ
ンデンサーからなるパターンが形成される必要がある。
For manufacturing a two-dimensional array of FEIC, it is necessary to form a pattern of electrodes and resistors or capacitors by etching a multi-layer substrate in which electrically conductive materials and insulating materials are alternately stacked. is there.

このエッチングされた基質は、脂質の単層または二重
層によってコートされる。この脂質膜による被覆は、基
質の表面に直接なされる場合と、基板表面にハイドロゲ
ルを被覆した後に被覆する場合とがある。理想的には、
抵抗とコンダクターとの接続は脂質物質から絶縁され、
また電極は直接または容量カップリング(capacitive c
oupling)によって膜に電気的にカップリングされてい
る。理想的には、膜は電気的に単離された配列エレメン
トに分けることができる。これは、それぞれの配列エレ
メント上にウエルを形成することによって達せられる。
This etched substrate is coated with a lipid monolayer or bilayer. The coating with the lipid membrane may be performed directly on the surface of the substrate, or may be performed after coating the surface of the substrate with the hydrogel. Ideally,
The connection between the resistor and the conductor is insulated from the lipid substance,
Also, the electrodes can be either direct or capacitively coupled (capacitive c
is electrically coupled to the membrane by means of oupling. Ideally, the membrane can be divided into electrically isolated sequence elements. This is accomplished by forming wells on each array element.

基板として最適な物質はシリコンおよびその酸化物と
窒化物、金属(特にパラジウムまたはプラチナ)、ガラ
ス、セラミックスおよび酸化物(特にアルミニウム酸化
物およびチタネートおよびジルコネート)、ナフィオン
(nafion)のような伝導性ポリマー、およびポリピロー
ル、および集積回路およびパリレン、ポリビニリデン、
フルオライド、ポリエステルおよびポリピロプロピレン
のような容量生産に利用される絶縁ポリマーである。
Suitable materials for substrates are silicon and its oxides and nitrides, metals (especially palladium or platinum), glasses, ceramics and oxides (especially aluminum oxides and titanates and zirconates), conductive polymers such as nafion. , And polypyrrole, and integrated circuits and parylene, polyvinylidene,
Insulating polymers used for volume production such as fluorides, polyesters and polypyropropylene.

脂質として相対的に適当と思われる物質は、例えばDM
PCおよびDPPCのようなリン脂質である。もし、脂質がパ
ラジウムのような金属の表面を直接被覆している場合
は、リン脂質頭部としてスルフヒドリル(sulfhydryl)
のようなチオール残基を置換する必要がある。
Substances that appear relatively suitable as lipids are, for example, DM
Phospholipids such as PC and DPPC. If the lipid directly coats the surface of a metal such as palladium, the phospholipid head will be sulfhydryl.
It is necessary to replace thiol residues such as

使用に際して配列は信号解析装置に接続された共通の
高インピーダンス電極を含む液体またはヒドロゲル電解
質に置き換えられよう。もし、大変低い周波数またはDC
信号が用いられた場合、信号電極における電気化学ポテ
ンシャルを安定させるために付加的対照電極の利用が必
要である。信号解析には多様な方法が用いられる。例え
ば、スペクトラル解析、サイクリックボルタメトリ、ノ
イズ解析、ダイナミックインピーダンス解析または統計
学的解析である。これらすべての解析方法は、ノイズと
真の信号とを区別するため、また感知エレメント間の違
いを区別するため好ましくは下記のようにして使用され
る暗号分析メカニズムと組合わされて実施される。
In use, the array would be replaced with a liquid or hydrogel electrolyte containing a common high impedance electrode connected to the signal analyzer. If very low frequency or DC
If a signal is used, the use of an additional reference electrode is necessary to stabilize the electrochemical potential at the signal electrode. Various methods are used for signal analysis. For example, spectral analysis, cyclic voltammetry, noise analysis, dynamic impedance analysis or statistical analysis. All these parsing methods are implemented in combination with a cryptographic analysis mechanism, preferably used as described below, to distinguish between noise and true signals and to distinguish between sensing elements.

実施例6 電界によって変調されたイオンチャンネルを用いるバイ
オセンサー バイオセンサーの配列を多機能試験に用いることが知
られている。しかし、上記したように、バイオセンサー
配列のいくつかの形式でも感度、選択性、時間応答およ
び信頼性を改善することが可能である。
Example 6 Biosensors Using Ion Channels Modulated by Electric Field It is known to use biosensor arrays for multifunctional testing. However, as mentioned above, some forms of biosensor sequences can also improve sensitivity, selectivity, time response and reliability.

電界効果イオンチャンネルからゲートイオンチャンネ
ルバイオセンサーの配列を用いてバイオセンサーを作る
ことができよう。好適な電界効果イオンチャンネルは実
施例3によって与えられる。実施例8に記載したスイッ
チング方法のどれでも個々のエレメントをアドレスする
ことに用いれるが、小さな配列には一次元配列がより好
適であり、また大きい配列には二次元配列がより好適で
ある。実施例5および8に記載した信号解析方法は、組
み合わされて効果的なアドレスとアルゴリズムの検出に
用いられる。検出の信頼性は、統計的解析のために多く
の要素から測定することによってより一層高まる。
A biosensor could be made from an array of gated ion channel biosensors from field effect ion channels. A suitable field effect ion channel is provided by Example 3. Although any of the switching methods described in Example 8 can be used to address individual elements, one-dimensional arrays are more suitable for small arrays and two-dimensional arrays are more suitable for large arrays. The signal analysis methods described in Examples 5 and 8 are used in combination for effective address and algorithm detection. The reliability of the detection is further enhanced by measuring from many factors for statistical analysis.

実施例7 電界よって特徴づけられる非線形コンダクタンスを有
するイオンチャンネルの存在は知られている。
Example 7 The existence of ion channels with non-linear conductance characterized by an electric field is known.

脂質二重層のコンダクタンスはそれらのイオンチャン
ネルのいくつかよりも電界を有する非線形のほうがより
劣る。
The conductance of lipid bilayers is poorer for non-linearity with an electric field than for some of their ion channels.

脂質二重層中にある修飾イオンチャンネルの利用にも
とづいてバイオセンサーを提唱することができる 脂質膜は現在のところ、イオンチャンネルに対する顕
著なインピーダンス除去として知られており、よって脂
質コンダクタンスとイオンチャンネルのコンダクタンス
活性と区別することは困難である。
Biosensors can be proposed based on the use of modified ion channels in lipid bilayers. Lipid membranes are currently known for their significant impedance rejection to ion channels, and thus lipid conductance and ion channel conductance. It is difficult to distinguish from activity.

脂質膜に存在するイオンチャンネルにもとづいたバイ
オセンサーの感度改善方法は電界依存性コンダクタンス
を有するように修飾されたイオンチャンネルを用いるこ
とにある。複雑な波形をバイオセンサーに与え、イオン
チャンネルの非線形伝達機能から得られた信号の波長成
分と比較する。
A method of improving the sensitivity of a biosensor based on the ion channel existing in the lipid membrane is to use an ion channel modified to have a field-dependent conductance. A complex waveform is applied to the biosensor and compared with the wavelength component of the signal obtained from the nonlinear transfer function of the ion channel.

バイオセンサーを通過する電流において、2つのサイ
ン波から合成された励起電圧をバイオセンサー膜の一側
面に与え、波長相違成分を測定するためにフェーズロッ
クループを利用する例を挙げる。
In the current passing through the biosensor, an excitation voltage synthesized from two sine waves is applied to one side of the biosensor membrane, and a phase-locked loop is used to measure the wavelength difference component.

励起電圧をvで表わし、Aをバイオセンサーを通過す
る電流として表わす。もし、f1およびf2を励起信号に存
在する2つのサイン波の波長として表わし、またそれぞ
れのもとのサイン波f0の副高調波をn1およびn2と表わし
たとすると、検出された電流信号は、A{(1/n1−1/n
2)xf0}として表わされる。イオンチャンネルが50の範
囲で変化する高非線形コンダクタンスを有するバイオセ
ンサーとして作用するように修飾されることが可能であ
る一方、脂質膜は励起信号の利用可能な範囲を超える約
2倍を越えて変化するコンダクタンスを持つことができ
る。よって、イオンチャンネルは膜と比べた場合に励起
サイン波の高レベルの相互変調を有する傾向があり、識
別改善は、A{(n1-n2)xf0}イオンチャンネル A{(n1−n2)xf0}膜 となる。
The excitation voltage is represented by v and A is represented as the current passing through the biosensor. If f1 and f2 are represented as the wavelengths of the two sine waves present in the excitation signal, and the subharmonics of the original sine wave f0 are represented as n1 and n2, the detected current signal is A {(1 / n1-1 / n
2) xf0}. While ion channels can be modified to act as biosensors with highly non-linear conductances varying in the range of 50, lipid membranes change more than about 2-fold over the available range of excitation signal Can have a conductance to Thus, the ion channel tends to have a high level of intermodulation of the excitation sine wave when compared to the membrane, and the discrimination improvement is A {(n1-n2) xf0} ion channel A {(n1-n2) xf0}. It becomes a film.

バイオセンサーインピーダンスの静力学的状態(ダイ
ナミックステート)が測定された場合、例えば生化学的
反応に続くゲート時間の静力学的変化においては最小パ
ルス時間が重要であると考えられることからナイキスト
周波数よりも大きな差異周波数でなければならない。
When the static state of the biosensor impedance (dynamic state) is measured, for example, the minimum pulse time is considered to be important in the static change of the gate time following the biochemical reaction, and therefore it is more important than the Nyquist frequency. Must have a large difference frequency.

非線形イオンチャンネルにもとづくバイオセンサーの
他の信号処理方法として以下のものが挙げられる。
Other signal processing methods for biosensors based on nonlinear ion channels include the following.

スペクトル分析 電流および電圧源からの励起によるサイクリックボル
タンメタリー ノイズ分析 ダイナミックインピーダンス分析 統計学的分析 脂質膜コンダクタンスからイオンチャンネルの他の識
別方法は、イオンチャンネルの光学的および(または)
音響学的励起である。
Spectral analysis Cyclic voltammetry with excitation from current and voltage sources Noise analysis Dynamic impedance analysis Statistical analysis Other ways of distinguishing ion channels from lipid membrane conductance are optical and / or ion channel
Acoustic excitation.

実施例8 イオンチャンネル活性の測定において、膜域を増大さ
せるとイオンチャンネルが一定状態にあるにもかかわら
ず、膜が抵抗および容量の増大を阻止してしまうので、
その測定に用いられるシステムの感度が減少してしまう
ことが知られている。
Example 8 In the measurement of ion channel activity, when the membrane area was increased, the membrane prevented the resistance and the capacitance from increasing even though the ion channel was in a constant state.
It is known that the sensitivity of the system used for the measurement is reduced.

低濃度イオンチャンネル活性を測定するためのセル面
積は0.1から100μm2が一般的である。
The cell area for measuring low-concentration ion channel activity is generally 0.1 to 100 μm 2 .

もし、限定感度がセンサーの全コンダクタンスによっ
て割られた単一チャンネルコンダクタンスとして定義さ
れるとすると、そのようなシステムの領域における限定
感度は以下の関数によって表わされる。
If the limiting sensitivity is defined as the single channel conductance divided by the total conductance of the sensor, the limiting sensitivity in the region of such a system is represented by the function

f1(Ai):イオンチャンネル面積 f2(Am):膜面積 膜周囲におけるイオン漏れ領域:f3(Ae) 1/(1+f2(Am)/f1(Ai)+f3(Ae)/f1(Ai)) まず線形に近似させるために、f1およびf3の関数を単
位面積あたりのアドミッタンスとして与える。しかし、
f3はバイオセンサーセル周囲の漏れアドミッタンスを与
える不確かな関数である。円形セルにおいては、(Rm2-
Re2)に概略比例する。ここで、Rmはバイオセンサーの
半径を意味し、Reは縁漏れ(edge leakage)が起こる領
域までの半径を意味する。
f1 (Ai): Ion channel area f2 (Am): Membrane area Ion leakage area around the membrane: f3 (Ae) 1 / (1 + f2 (Am) / f1 (Ai) + f3 (Ae) / f1 (Ai)) First linear The function of f1 and f3 is given as the admittance per unit area in order to approximate But,
f3 is an uncertain function that gives the leakage admittance around the biosensor cell. In a circular cell, (Rm2-
It is roughly proportional to Re2). Here, Rm means a radius of the biosensor, and Re means a radius up to a region where edge leakage occurs.

もし、連続的に閉じた状態または開いた状態にあるわ
ずかのイオンチャンネルに対して切断域(cross sectio
nal area"Aan")のアナライト分子が結合することによ
ってバイオセンサーが検知するとし、そして膜のなかを
側方拡散することができるNiイオンチャンネルがあると
すると、限定感度は以下の式によって表わされる。
If there are few ion channels that are continuously closed or open, the cross-section
nal area "Aan"), the biosensor detects it by binding to an analyte molecule, and if there is a Ni ion channel that can diffuse laterally through the membrane, the limited sensitivity is given by Be done.

Am/Aan X 1/{1+N1+f2(Am)/f1(Ai)+f3(Ae)/f
i(Ai)} イオンチャンネルが側方拡散しないが均等分配されて
いるシステムでは、限定感度は以下の式によって表わさ
れる。
Am / Aan X 1 / {1 + N1 + f2 (Am) / f1 (Ai) + f3 (Ae) / f
i (Ai)} In a system where the ion channels do not laterally diffuse but are evenly distributed, the limited sensitivity is given by:

1/Aan X N1/{1+N1+f2(Am)/f1(Ai)+f3(Ae)/f
i(Ai)} アナライト分子と比較して大きい膜の利点は、電気的
感度におけるAmの限定効果によって相殺される。イオン
チャンネル数の単純増加はアンカーされたイオンチャン
ネルを有するシステムにおけるこの問題を克服する。し
かし、個々のチャンネルのコンダクタンス、f1(Ai)、
の連続的変化によるイオンチャンネル活性の特定を行な
う能力は平均コンダクタンス信号として喪失するので検
知をより困難にする。しかしながら、もし膜およびその
イオンチャンネルはN2と独立的に測定される領域とに別
れるが電気的に単離不可能であるとすると、 限定感度は、 “側方拡散(Laterally Diffusing)” Am/Aan X 1/{1+N1/N2+f2(Am)/(N2Xf1(Ai))
+SQRT(N2)Xf3(Ae)/f1(Ai)} または、 “アンカー(Anchored)” Am/Aan X N1/{1+N1/N2+f2(Am)/(N2Xf1(Ai))
+SQRT(N2)Xf3(Ae)/f1(Ai)} となる。
1 / Aan X N1 / {1 + N1 + f2 (Am) / f1 (Ai) + f3 (Ae) / f
The advantage of the larger film compared to the i (Ai)} analyte molecule is offset by the limiting effect of Am on electrical sensitivity. A simple increase in the number of ion channels overcomes this problem in systems with anchored ion channels. However, the conductance of each channel, f1 (Ai),
The ability to identify ion channel activity due to a continuous change in the is lost as an average conductance signal, making it more difficult to detect. However, if the membrane and its ion channel are divided into N2 and a region that is measured independently, but are not electrically isolated, the limiting sensitivity is “Laterally Diffusing” Am / Aan. X 1 / {1 + N1 / N2 + f2 (Am) / (N2Xf1 (Ai))
+ SQRT (N2) Xf3 (Ae) / f1 (Ai)} or “Anchor” Am / Aan X N1 / {1 + N1 / N2 + f2 (Am) / (N2Xf1 (Ai))
+ SQRT (N2) Xf3 (Ae) / f1 (Ai)}.

このことは、電気的感度に対する膜の限定効果を減少
させることによって電気的感度は増大させることがで
き、またより多くのイオンチャンネルを用いることを可
能とする一方で単一イオンチャンネルに含まれる情報を
保持することによって電気的感度を増大させることがで
きる。イオンチャンネル数の増加は、側方拡散時間の減
少によって時間応答を増大させる。脂質膜のイオンチャ
ンネルにもとづくバイオセンサーにおける感度および時
間応答の改善は、多重化(multiplexing)または平行増
幅(parallel amplification)によって、またはそれら
両方によって活性表面域に分布した小さなセルの数を独
立的に感知することによって達成される。
This allows the electrical sensitivity to be increased by reducing the limiting effect of the membrane on the electrical sensitivity, and allows more ion channels to be used while the information contained in a single ion channel. Can be increased to increase the electrical sensitivity. Increasing the number of ion channels increases the time response by decreasing the lateral diffusion time. Improved sensitivity and time response in lipid membrane ion channel-based biosensors has been shown to be independent of the number of small cells distributed over the active surface area by multiplexing, parallel amplification, or both. Achieved by sensing.

修飾された電界効果イオンチャンネルにもとづくバイ
オセンサーもまた多重化されよう。
Biosensors based on modified field effect ion channels would also be multiplexed.

上記したバイオセンサーの応答速度および感度は、平
行増幅装置のシステムを封止されたセルの配列に用いる
場合に最適である。封止セルを有する多重化システム
は、平行システムと同等の感度を有するが、ネットワー
クにおける平行信号通路の数によって改善される長い応
答時間を有する。感知エレメントとマルチプレクスエレ
メントとの間に空間を設けることは、応答時間の改善に
つながるが、センサー領域/感知領域の比に比例して感
度が減少する。
The response speed and sensitivity of the biosensors described above are optimal when the system of parallel amplifiers is used in an array of sealed cells. Multiplexed systems with sealed cells are as sensitive as parallel systems, but have long response times that are improved by the number of parallel signal paths in the network. Providing a space between the sensing element and the multiplex element improves the response time, but reduces the sensitivity in proportion to the ratio of sensor area / sensing area.

下記のバイオセンサーは、膜内に修飾されたゲートイ
オンチャンネルに結合した通常2ないし3つのターミナ
ルブリッジを有する。
The biosensors described below typically have 2 to 3 terminal bridges attached to a modified gated ion channel in the membrane.

(1)一次元配列 (a)個々の測定が平行に設けられた高インピーダンス
(1010オーム)増幅装置によってなされる。10,000が10
0μm2にわたって設けられた封止セルを有する1cm2セン
サーにおける最大感度および時間応答に必要である。
(1) One-dimensional array (a) Individual measurements are made by a parallel high impedance (10 10 ohm) amplifier. 10,000 is 10
Required for maximum sensitivity and time response in a 1 cm 2 sensor with a sealed cell provided over 0 μm 2 .

(b)個々の測定が10,000の連続して多重化されたセル
によってなされる。多重化ラインは基準点にホールドさ
れた単一電流感知ラインを伴う低インピーダンスであ
る。応答時間は、一般的には20秒から200秒の間であ
る。感度は最大である。
(B) Individual measurements are made with 10,000 consecutively multiplexed cells. The multiplexed line is low impedance with a single current sense line held at the reference point. Response times are typically between 20 and 200 seconds. The sensitivity is maximum.

(C)連続して多重化信号通路と"N"平行信号通路との
混合したものを利用する。それぞれの通路に必要とされ
るN増幅装置に比例して応答時間が減少する。ここで、
増幅装置は独立したものであることが必要とされること
から、それぞれから高インピーダンスが単離される。
(C) Utilize a mixture of consecutive multiplexed signal paths and "N" parallel signal paths. The response time is reduced in proportion to the N amplification devices required for each path. here,
Since the amplifiers are required to be independent, a high impedance is isolated from each.

(2)二次元配列 (a)しかし、上記3にあるように、非線形伝導のイオ
ンチャンネルが用いられ、かつ多重化ラインが複合信号
(典型的には"N"対周波数Vn(f1)及びVn(f2))から
誘導され、それぞれの平行通路に該当する異なる周波数
の周波数分配脱多重化が実行される。よって上記2にお
ける応答時間はある高インピーダンスラインを有するシ
ステムにおいて"N"にて減少される。
(2) Two-dimensional array (a) However, as described in 3 above, a non-linear conduction ion channel is used, and the multiplexing line has a composite signal (typically "N" vs. frequency Vn (f1) and Vn). Frequency division demultiplexing of different frequencies, which are derived from (f2)) and which correspond to the respective parallel paths, is performed. Thus the response time in 2 above is reduced by "N" in a system with some high impedance lines.

(b)4に関しては、膜基質上のマルチプレクス電極は
レジスターネットワークを介して励起源と結合して、2
つの信号ラインは二次元配列にある電極にアドレスする
ようになっている以外は4と同じ。
For (b) 4, the multiplex electrode on the membrane substrate binds to the excitation source via the resistor network and
Same as 4 except that the two signal lines address the electrodes in a two dimensional array.

(c)上記のすべてのバイオセンサーに関するシステム
は、膜は封止されていない。このことは時間応答および
(または)感度を減少させるが、多くの場合において好
適なものである。
(C) In all biosensor systems described above, the membrane is not sealed. This reduces time response and / or sensitivity, but is often preferred.

実施例9 (1)非線形センサー感度の改善 この例では、脂質二重膜にあるゲートイオンチャンネ
ルにもとづいたバイオセンサーの感度を強化するための
装置について述べる。
Example 9 (1) Improvement of non-linear sensor sensitivity This example describes a device for enhancing the sensitivity of a biosensor based on a gated ion channel in a lipid bilayer.

第3図は金属被覆ガラス電極20の概略構成を側面
(a)と上面(b)から見た図である。金属被覆ガラス
電極20はガラス基板(ガラスシート)22、活性電極24、
コネクターパッド26および電気的接合子28(活性電極24
とコネクターパッド26とを接合する)からなる。この電
気的接合子28および活性電極24はスパッタリングされて
なる層である。
FIG. 3 is a view showing the schematic structure of the metal-coated glass electrode 20 as seen from the side surface (a) and the top surface (b). The metal-coated glass electrode 20 includes a glass substrate (glass sheet) 22, an active electrode 24,
Connector pad 26 and electrical connector 28 (active electrode 24
And the connector pad 26). The electrical junction 28 and the active electrode 24 are sputtered layers.

顕微鏡用スライドガラスのようなガラスシート22は界
面活性剤を除く、水およびクロミウム酸または硝酸から
なる溶媒によって洗浄して調製した。コネクターパッド
26は第3図に示したような電気プレート24で、また電極
20を蒸留脱イオン水およびエタノール噴霧(ethanol ap
or degreasing)または抽出装置(soxhlet extractor)
によって洗浄した。
A glass sheet 22 such as a microscope slide glass was prepared by washing with a solvent containing water and chromic acid or nitric acid, excluding a surfactant. Connector pad
26 is an electric plate 24 as shown in FIG.
20 distilled distilled water and ethanol spray (ethanol ap
or degreasing) or extractor (soxhlet extractor)
Washed by

その後、例えば液体窒素を沸騰させることによって得
られる精製乾燥窒素の噴出を伴う高クリーン度の大気中
ですばやく乾燥させ、そしてクロミニウム、および金、
パラジウムまたはプラチナのどれかからなる多ターゲッ
トを含むスパッタリング装置に移す。このスパッタリン
グチャンバーを液体窒素コールドトラップ(cold tra
p)による拡散ポンプ蒸気から保護する必要がある。100
オングストロームのクロミウム、200オングストームの
金パラジウムまたはプラチナによるスパッターコーティ
ングは第3図に示されたパターンをシャドーマスキング
処理される。このパターンは2つの活性電極24が示され
ているが、両方とも常に必要とされるわけではない。対
照電極として作用するバイオセンシング物質なしに一つ
の電極を持つことが好ましい。国際特許出願No.WO89/01
159に開示されたバイオセンサーを調製するステップに
おいて用いられるラングミュアブロジェットデイッピン
グまたは吸着によって脂質をすばやく電極24に被覆す
る。
It is then dried quickly in a high clean atmosphere with a blast of purified dry nitrogen obtained by boiling liquid nitrogen, for example, and chromium, and gold,
Transfer to a sputtering system containing multiple targets of either palladium or platinum. This sputtering chamber is set in a liquid nitrogen cold trap (cold tra
It is necessary to protect against diffusion pump vapors according to p). 100
Sputter coating with Angstrom chromium, 200 Angstrom gold palladium or platinum is shadow masked in the pattern shown in FIG. Although this pattern shows two active electrodes 24, both are not always needed. It is preferred to have one electrode without the biosensing substance acting as a reference electrode. International Patent Application No. WO89 / 01
The electrode 24 is rapidly coated with lipids by Langmuir-Blodgett dipping or adsorption used in the step of preparing the biosensor disclosed in 159.

このような型のバイオセンサーでは、ボンドアルコー
ルと脂質との組み合わせたものを絶縁物質として用いて
いる。シャドウマスクによって金属化された部分の周囲
に電気的に不連続な金属からなる半陰影領域が形成され
る。この領域は脂質支持物質をつなぎ止める働きと、電
気的に連続な領域を包囲および被覆する絶縁膜を提供す
る。フォトリゾグラフイによる化学的汚染を防ぐことが
できるのでシャドウマスキングが好ましい。もしフォト
リゾグラフイを用いた場合は、通常のフォトリゾグラフ
イ後の洗浄に加えて、前記した洗浄方法を繰り返してお
こなう必要がある。
In this type of biosensor, a combination of bond alcohol and lipid is used as an insulating substance. A semi-shadow region of electrically discontinuous metal is formed around the metallized portion by the shadow mask. This region serves to anchor the lipid-bearing material and provides an insulating membrane that surrounds and coats the electrically continuous region. Shadow masking is preferred because it can prevent chemical contamination by photolithography. If photolithography is used, it is necessary to repeat the above-described cleaning method in addition to the usual cleaning after photolithography.

分析に好適な電気的システムは、第4図に示した。3
タイプの前置増幅器を第5図(スタンダードボルテージ
クランプ増幅器)および第6図(2つの活性電極を有す
るバイオセンサーによって異なるインピーダンスを測定
するための平衡化ボルテージブリッジ)に示した。第5
図および第6図に示したものは、脂質によって被覆され
ているが、ひとつだけがバイオ感受性ゲートイオンチャ
ンネルを含む。
An electrical system suitable for analysis is shown in FIG. 3
A type of preamplifier is shown in Figure 5 (standard voltage clamp amplifier) and Figure 6 (balanced voltage bridge for measuring different impedances by a biosensor with two active electrodes). Fifth
The ones shown in Figures and 6 are coated with lipids, but only one contains the biosensitive gated ion channel.

第4図は、イオンチャンネルの非線形コンダクタンス
特性によって膜におけるイオンチャンネルインピーダン
スを測定する方法の一例である。第4図は通常10kHzで
稼動するローカルオシレーター31を示している。周波数
分配器32と33によってローカルオシレーター31から周波
数F/n1およびF/n2の信号を得る。通常、n1=10およびn2
=11である。可算増幅器34は周波数分配器32および33か
らの2つの信号を加え、緩衝増幅器35および36は信号を
感知電極に供給する。また、緩衝増幅器36は信号を逆転
させて、緩衝増幅器35からの信号と反対の極性にする。
しかし、この逆転信号は第6図に示された前置増幅器に
のみ必要とされる。スイッチング(マルチプレキシン
グ)にためのシステムは、電極配列への信号と単一電流
感知増幅器による最終信号の感知は第4図の符号37によ
って示されており、より詳細には第5、6および7図に
示されている。感知された信号は、増幅器38によってさ
らに増幅され、(F/n1-F/n2)の周波数を有する信号成
分はフェーズロックループ検出器39によって検知かつ増
幅される。なぜなら、この信号成分はイオンチャンネル
の非線形コンダクタンスから得られるもので、相対的に
線形のコンダクスを有する静止膜インピーダンスからイ
オンチャンネルコンダクタンスを優先的に識別するのに
用いられる。
FIG. 4 is an example of a method for measuring the ion channel impedance in the film by the non-linear conductance characteristic of the ion channel. FIG. 4 shows a local oscillator 31 which normally operates at 10 kHz. The frequency dividers 32 and 33 obtain signals of the frequencies F / n1 and F / n2 from the local oscillator 31. Usually n1 = 10 and n2
= 11. Countable amplifier 34 applies the two signals from frequency dividers 32 and 33, and buffer amplifiers 35 and 36 provide the signals to the sense electrodes. Also, buffer amplifier 36 reverses the signal to the opposite polarity of the signal from buffer amplifier 35.
However, this inversion signal is only needed for the preamplifier shown in FIG. The system for switching (multiplexing) is such that the sensing of the signal to the electrode array and the final signal by the single current sense amplifier is indicated by reference numeral 37 in FIG. 4, and more particularly in the fifth, sixth and seventh. As shown in the figure. The sensed signal is further amplified by the amplifier 38, and the signal component having a frequency of (F / n1-F / n2) is detected and amplified by the phase-locked loop detector 39. Because this signal component is obtained from the non-linear conductance of the ion channel, it is used to preferentially distinguish the ion channel conductance from the static membrane impedance, which has a relatively linear conductance.

第5、6、および7図は複数の実施例に記載されたセ
ンサーに好適に用いられる前置増幅器を示すものであ
る。第5図は単一センサーにより好適な前置増幅器を示
すものである。それにたいして、第6図および第7図
は、センサー配列により好適に用いることが可能な前置
増幅器である。
FIGS. 5, 6, and 7 show a preamplifier suitable for use in the sensors described in several embodiments. FIG. 5 shows a preferred preamplifier with a single sensor. To the contrary, FIGS. 6 and 7 are preamplifiers that can be preferably used with the sensor array.

第5図に示された前置増幅器は、対照電極43がコマン
ド電圧と同電位に常に維持されるように、逆電極42に十
分電流を供給する増幅器41を有する標準3端子インピー
ダンスブリッジである。対照電極43は、電解液の電位を
正確にモニターするために、また電解液をコマンド電圧
と同電位にクランプされるようにして逆電極への電流を
調整するために、増幅器41の高インピーダンスネガテイ
ブフィードバック入力に接続されている。活性電極44は
膜によって被覆されており、また膜のインピーダンスに
依存して逆電極42から電流が流れ込むように、電位が0
の値に維持されている。増幅器45は抵抗46に電流を流す
ことによってこの電流を測定する。よって、活性電極44
を被覆している膜のコンダクタンスは電解液の電位測定
値および膜を通過する電流によって決定される。
The preamplifier shown in FIG. 5 is a standard three terminal impedance bridge having an amplifier 41 that supplies sufficient current to the counter electrode 42 so that the reference electrode 43 is always maintained at the same potential as the command voltage. The reference electrode 43 is a high impedance negative of the amplifier 41 to accurately monitor the electrolyte potential and to regulate the current to the counter electrode so that the electrolyte is clamped to the same potential as the command voltage. Connected to feedback input. The active electrode 44 is covered with a membrane and has a potential of 0 so that current flows from the counter electrode 42 depending on the impedance of the membrane.
Has been maintained at the value of. Amplifier 45 measures this current by passing a current through resistor 46. Therefore, the active electrode 44
The conductance of the membrane coating is determined by the measured potential of the electrolyte and the current passing through the membrane.

第6図に示された前置増幅器および電極装置は、ゲー
トイオンチャンネルを有する脂質膜によって被覆された
電極51と、脂質膜のみによって被覆された電気ょいく52
とからなる平衡状態のブリッジからなるものである。こ
の2つの電極は同一であるが極性が異なる信号が供給さ
れるものなので、もし電極のコンダクタンスが等しい場
合、それらの電極が浸された電解液は電位が0となって
いる。感知電極53は、電解液電位の非平衡状態を測定す
るので、もし電極51のコンダクタンスがバイオセンサー
反応によって変えれた場合(すなわち、ゲートイオンチ
ャンネルが開いた場合または閉じた場合)、電位変化は
電極53によって感知され、高インピーダンス増幅器54に
よって増幅される。電極51および52は対となっており、
この対は励起信号のスイッチングによってアドレスされ
る。
The preamplifier and the electrode device shown in FIG. 6 have an electrode 51 covered with a lipid membrane having a gated ion channel and an electric cathode 52 covered only with the lipid membrane 52.
It consists of an equilibrium bridge consisting of and. Since the two electrodes are supplied with signals having the same polarity but different polarities, if the conductances of the electrodes are equal, the potential of the electrolytic solution in which these electrodes are immersed is zero. Sensing electrode 53 measures the non-equilibrium state of the electrolyte potential, so if the conductance of electrode 51 is altered by the biosensor reaction (ie, when the gated ion channel is open or closed), the potential change is the electrode. It is sensed by 53 and amplified by a high impedance amplifier 54. Electrodes 51 and 52 are paired,
This pair is addressed by switching the excitation signal.

第7図に示された前置増幅器は、膜に被覆された電極
57に増幅器56が励起信号を供給する2端子インピーダン
スブリッジを表わす。電極57は電極配列のひとつであっ
て、励起信号はこの配列の各電極へスイッチされる。電
極58は電極57を通過する電流を検知し、高インピーダン
ス増幅器59によいってその電流を増幅する。よって、57
のような電極配列のコンダクタンスが測定される。
The preamplifier shown in FIG. 7 has a membrane-coated electrode.
At 57 the amplifier 56 represents a two terminal impedance bridge which provides the excitation signal. Electrode 57 is one of an array of electrodes and the excitation signal is switched to each electrode of this array. Electrode 58 senses the current passing through electrode 57 and feeds high impedance amplifier 59 to the current. Therefore, 57
The conductance of an electrode array such as

(2)多重化センサー(multiplexed sensor)における
感度と応答時間の改善脂質膜センサーのゲートイオンチ
ャンネルの性能を強化するために多重化させたバイオセ
ンサーおよび測定システムに関する方法が国際特許出願
No.WO89/01159に開示されている。
(2) Improvement of sensitivity and response time in multiplexed sensor International patent application for a method relating to a biosensor and a measurement system which are multiplexed to enhance the performance of a gate ion channel of a lipid membrane sensor
No. WO 89/01159.

バイオセンサーはシリコン挿入回路技術と脂質被覆方
法とを組み合わせることによって製造される。
Biosensors are manufactured by combining silicon insertion circuit technology with lipid coating methods.

第8図ないし第10図は、第8図のA−A線およびB−
B線に沿った断面図をそれぞれ表わす第9図および第10
図にもとづく製造に必要な4つのマスクレベルの詳細を
示している。ポリシリコン60、シリコンジオキシド62、
アルミニウム64および窒化物66として与えられる層のパ
ターン化に必要とされる4つのマスクレベルでのチップ
サイズは7mmX5mmである。これらのレベルの意義は以下
の通りである。
8 to 10 are lines AA and B- in FIG.
9 and 10 showing sectional views taken along line B, respectively.
4 shows the details of the four mask levels required for manufacturing based on the figure. Polysilicon 60, Silicon dioxide 62,
The chip size at the four mask levels required for patterning the layers provided as aluminum 64 and nitride 66 is 7 mm x 5 mm. The significance of these levels is as follows.

ポリシリコン 10対の感知電極それぞれに結合し、かつ該当するアル
ミニウムボンデイングパッド72に伝導するたポリシリコ
ンフインガー68。
Polysilicon Polysilicon finger 68 that is coupled to each of the 10 pairs of sensing electrodes and is conducted to the appropriate aluminum bonding pad 72.

シリコンジオキシド ポリシリコンフィンガー68を一時的に被覆し、かつ感
知電極の対を保護する堆積ガラス層。このそうは感知電
極金属の形成後に堆積され、パッキングを含むすべての
工程中そのままにされている。そして、脂質性のバイオ
センサーフイルムを塗布するまえにフッ化水素酸による
食刻によって除去する。
Silicon Dioxide A deposited glass layer that temporarily covers the polysilicon fingers 68 and protects the sensing electrode pairs. This is deposited after the formation of the sense electrode metal and left untouched during all steps, including packing. Then, before applying the lipidic biosensor film, it is removed by etching with hydrofluoric acid.

窒化物 堆積シリコン窒化物からなる層は、主要な電気的絶縁
層でチップの全表面を覆うが、感知電極70およびボンド
パッド72からなる対の部分は被覆されずウインドウが形
成されている。ワイヤコネクテイングリード74はボンデ
イングパッド72に延びている。
The layer of nitride-deposited silicon nitride covers the entire surface of the chip with a major electrically insulating layer, while the pair of sensing electrodes 70 and bond pads 72 is uncovered and windowed. The wire connecting lead 74 extends to the bonding pad 72.

第9図および第10図に最適に示されているように、バ
イオセンサー膜が配置される電極ウェル78は、対をなす
電極70のそれぞれに形成されている。
As best shown in FIGS. 9 and 10, an electrode well 78 in which the biosensor membrane is placed is formed in each of the paired electrodes 70.

加工過程の要約 出発物質は、100個の単一結晶シリコンからなる6イ
ンチ直径ウエハーである。
Processing Summary The starting material is a 6 inch diameter wafer consisting of 100 single crystal silicons.

1.7500オングストロームの加熱酸化物の成長。1.7500 Å heated oxide growth.

2.低圧化学蒸留沈積による4000オングストロームの亜リ
ン酸不純物含有シリコンの沈積。
2. Deposition of 4000 Angstrom silicon containing phosphite impurities by low pressure chemical distillation deposition.

3.ポリシリコンフィンガーのパターン形成のためのフォ
トリゾグラフ工程の実施−プラズマにおいて食刻。
3. Perform photolithographic process for patterning polysilicon fingers-etch in plasma.

4.ポリシリコンフインガーを300オングストローム厚に
なるように酸化。
4. Oxidize the polysilicon finger to a thickness of 300 Å.

5.低圧化学蒸留沈積による6000オングストロームの亜リ
ン酸不純物含有シリコンの沈積。
5. Deposition of silicon containing 6000 angstroms of phosphite impurities by low pressure chemical distillation deposition.

6.1200オングストロームのスパッター化されたアルミニ
ウムの沈積。
6.1200 Angstrom sputtered aluminum deposition.

7.アルミニウムボンドパドのパターン形成のためのフォ
トリゾグラフ工程の実施−プラズマにおいて食刻。
7. Perform photolithographic process for patterning aluminum bond pad-etch in plasma.

8.窒化物内ウインドウのパターン形成のためのフォトリ
ゾグラフ工程の実施−プラズマにおいて食刻。
8. Perform photolithographic process for patterning windows in nitride-etch in plasma.

9.金プラチナまたはパラジウムの沈積。9. Gold platinum or palladium deposition.

10.リフトオフテクニックによる電極パターンの形成。10. Formation of electrode pattern by lift-off technique.

11.プラズマエンヘンス低圧化学蒸留沈積による8000オ
ングストロームガラス(シロックス、silox)の沈積。
11. Plasma Enhens Deposition of 8000 Angstrom glass (silox) by low pressure chemical distillation deposition.

12.シロックスのパターン形成のためのフォトリゾグラ
フ工程の実施−プラズマにおいて食刻。
12. Perform photolithographic process for Silox patterning-etching in plasma.

13.モルデイング化合物およびチップキャリア76へパッ
ケージングするためのチップへの切り目形成。
13. Molding compound and scoring into chips for packaging into chip carrier 76.

14.フッ化水素酸エッチングによる保護シロックスの除
去と、前記脂質およびバイオセンシテイブイオンチャン
ネルによる被覆。
14. Removal of protective siloxes by hydrofluoric acid etching and coating with said lipids and biosensitive ion channels.

多くの態様が可能である。示されたパターンは一般的
試験ユニットとしてアレンジされており、このユニット
はどのようにして電極がクローズパックまたは分離する
かを示しており、またいろいろなブリッジ様式において
どのような使用されるかを示している。
Many embodiments are possible. The pattern shown is arranged as a general test unit, which shows how the electrodes close-close or separate, and how they are used in different bridge modes. ing.

一例として、2つのクローズパックされたエレメント
は相互にチャックするものとしてある。10対は、第6図
および第7図に示したような前置増幅器を使用したアナ
ライト表面の走査を行なうために、独立したバイオセッ
シングエレメントとして用いられる。
As an example, two close packed elements are supposed to chuck one another. Ten pairs are used as independent bioprocessing elements to perform scanning of the analyte surface using a preamplifier as shown in FIGS. 6 and 7.

他の態様は、バイオセンシテイブイオンチャンネルを
含むもの、バイオセンシテイビテイのために修飾されて
いないイオンチャンネルを含むもの、そして脂質物質の
みを含むものとにグループ分けされた多数のブリッジ回
路において使用される。そのようにグループ化されたエ
レメントは、別々に測定可能であり、増幅後に比較可能
である。また、第6図に示したようなブリッジを使用す
ることによいって別の測定も可能である。
Other embodiments use in multiple bridge circuits grouped into those containing biosensitive ion channels, those containing ion channels that have not been modified for biosensitivity, and those containing only lipid substances. To be done. The elements so grouped can be measured separately and compared after amplification. Other measurements are also possible by using a bridge such as that shown in FIG.

実施のために、マルチプレクサー回路素子は低インピ
ーダンス回路素子に結合される活性エレメントを必要と
するので、従来の3末端ブリッジは適当ではない。ま
た、経済的効率化のために高インピーダンスエレメント
をセンサーチップに配置すべきではない。このような態
様は第4図に示した。また、増幅器の使用については第
6図および第7図に示した。
For implementation, the multiplexer circuit element requires an active element to be coupled to the low impedance circuit element, so a conventional three-ended bridge is not suitable. Also, high impedance elements should not be placed on the sensor chip for economic efficiency. Such a mode is shown in FIG. The use of the amplifier is shown in FIGS. 6 and 7.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オスマン,ピーター ダミエン ジョン オーストラリア国 ニュー サウス ウ ェールズ ウェスト リンドフィールド 2070 キャラマー ロード 20 (72)発明者 コーンネル,ブルース アンドリュー オーストラリア国 ニュー サウス ウ ェールズ ニュートラル ベイ 2089 ウィコム ロード 58 (72)発明者 ラギューズ,バークハード オーストラリア国 ニュー サウス ウ ェールズ エス ティ アイブズ 2075 ムーディーズ ロード 2 (72)発明者 キング,リオネル ジョージ オーストラリア国 ニュー サウス ウ ェールズ マースフィールド 2122 ト ラフォルガー プレイス 15/5 (56)参考文献 特開 昭61−2055(JP,A) 欧州公開261887(EP,A2) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (72) Inventor Osman, Peter Damien John New South Wales West Lindfield 2070 Caramer Road, Australia 20 (72) Inventor Cornell, Bruce Andrew Australia New South Wales Neutral Bay 2089 Wicom Road 58 (72) Inventor Rugges, Burkhard Australia New South Wales Estay Ives 2075 Moody's Road 2 (72) Inventor King, Lionel George Australia New South Wales Marsfield 2122 Trafolger Place 15/5 (56) References JP-A-61-2055 (JP, A) Europe Published 261887 (EP, A2)

Claims (38)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】複数の実質的に同一の不連続な膜を具備す
るバイオセンサーであって、 前記各膜が、少なくとも一つのゲートイオンチャンネル
を備え、各膜のコンダクタンスが他の膜のコンダクタン
スと独立に測定可能であり、 前記各膜は密に充填された自己凝集両親媒性分子配列か
らなり、 膜の一方の側に配設された少なくとも1つの電極が、該
膜の他方の側に配設された他の電極と共同して膜を横切
る電界を印加することができ、 前記少なくとも一つのゲートイオンチャンネルが前記膜
を横切る電界に依存したコンダクタンスを有することを
特徴とするバイオセンサー。
1. A biosensor comprising a plurality of substantially identical discontinuous membranes, each membrane comprising at least one gated ion channel, wherein the conductance of each membrane is comparable to that of another membrane. Independently measurable, each membrane comprises a densely packed array of self-aggregating amphipathic molecules, with at least one electrode disposed on one side of the membrane disposed on the other side of the membrane. A biosensor capable of applying an electric field across a membrane in cooperation with another electrode provided, wherein the at least one gated ion channel has a conductance dependent on the electric field across the membrane.
【請求項2】前記イオンチャンネルが、極性、両極性、
または分極可能な基の取り込みまたは除去によって修飾
されたことを特徴とする請求項1記載のバイオセンサ
ー。
2. The ion channel is polar, bipolar,
The biosensor according to claim 1, which is modified by incorporating or removing a polarizable group.
【請求項3】少なくとも1つの電極が各膜の一方の側に
配設され、該各膜の他方の側に配設された電極と共同し
て該各膜を横切る電界を印加することができ、複数の膜
が、前記不連続な電極に印加されるまたは該電極から測
定される信号を多重化することによって多重化されたこ
とを特徴とする請求項1記載のバイオセンサー。
3. At least one electrode is disposed on one side of each membrane and is capable of applying an electric field across each membrane in cooperation with an electrode disposed on the other side of each membrane. The biosensor of claim 1, wherein a plurality of membranes are multiplexed by multiplexing signals applied to or measured by the discontinuous electrodes.
【請求項4】複数の実質的に同一の不連続な膜を具備す
るバイオセンサーであって、 各膜が、少なくとも一つのゲートイオンチャンネルを具
備し、各膜のコンダクタンスが他の膜のコンダクタンス
と独立に測定可能であり、 前記各膜は密に充填された自己凝集両親媒性分子配列か
らなり、 各膜の一方の側に配設された少なくとも1つの電極が、
該膜の他方の側に配設された他の電極と共同して膜を横
切る電界を印加することができ、 信号が前記不連続な膜に印加されまたはそれらから測定
されることを特徴とするバイオセンサー。
4. A biosensor comprising a plurality of substantially identical discontinuous membranes, each membrane comprising at least one gated ion channel, the conductance of each membrane being the conductance of another membrane. Independently measurable, each said membrane consists of a densely packed self-aggregating amphipathic molecular array, at least one electrode disposed on one side of each membrane,
Characterized in that an electric field can be applied across the membrane in cooperation with other electrodes arranged on the other side of the membrane, a signal being applied to or measured from said discontinuous membrane Biosensor.
【請求項5】前記イオンチャンネルが、ヘリックスおよ
びそれの凝集体を形成することが可能なペプチド、ポダ
ンド、コロナンドおよびクリプタンドからなる群から選
択されることを特徴とする請求項1記載のバイオセンサ
ー。
5. The biosensor according to claim 1, wherein the ion channel is selected from the group consisting of peptides capable of forming helices and aggregates thereof, podands, coronands and cryptands.
【請求項6】前記イオンチャンネルはヘリックスまたは
その凝集体を形成することが可能なペプチドからなるこ
とを特徴とする請求項5記載のバイオセンサー。
6. The biosensor according to claim 5, wherein the ion channel comprises a peptide capable of forming a helix or an aggregate thereof.
【請求項7】前記イオンチャンネルはβヘリックスから
なるペプチドであることを特徴とする請求項6記載のバ
イオセンサー。
7. The biosensor according to claim 6, wherein the ion channel is a peptide consisting of β-helix.
【請求項8】前記イオンチャンネルはグラミシジンまた
はその類似体であることを特徴とする請求項7記載のバ
イオセンサー。
8. The biosensor according to claim 7, wherein the ion channel is gramicidin or an analog thereof.
【請求項9】前記イオンチャンネルはグラミシジンAま
たはその類似体であることを特徴とする請求項9記載の
バイオセンサー。
9. The biosensor according to claim 9, wherein the ion channel is gramicidin A or an analogue thereof.
【請求項10】前記ゲートイオンチャンネルは脂質膜内
を側方拡散することが可能なことを特徴とする請求項1
記載のバイオセンサー。
10. The gate ion channel is capable of laterally diffusing in a lipid membrane.
The biosensor described.
【請求項11】各々の脂質膜のコンダクタンスは、高イ
ンピーダンスアドレスライン、各々の脂質膜に配設され
た分離アドレスライン及び/または膜の多重化からなる
手段によって測定されることを特徴とする請求項1記載
のバイオセンサー。
11. The conductance of each lipid membrane is measured by means comprising high impedance address lines, separate address lines disposed on each lipid membrane and / or membrane multiplexing. Item 1. The biosensor according to Item 1.
【請求項12】各々の脂質膜のコンダクタンスは、膜の
多重化によって測定されることを特徴とする請求項11記
載のバイオセンサー。
12. The biosensor according to claim 11, wherein the conductance of each lipid membrane is measured by membrane multiplexing.
【請求項13】前記膜は、連続的に多重化されているこ
とを特徴とする請求項12記載のバイオセンサー。
13. The biosensor according to claim 12, wherein the membranes are sequentially multiplexed.
【請求項14】コンダクタンス測定は、低インピーダン
スの多重化ラインと少なくとも一つの電流感知ラインと
を用いることによって実施されることを特徴とする請求
項12記載のバイオセンサー。
14. The biosensor of claim 12, wherein the conductance measurement is performed by using a low impedance multiplexed line and at least one current sensing line.
【請求項15】一つの電流感知ラインが存在することを
特徴とする請求項14記載のバイオセンサー。
15. The biosensor of claim 14, wherein there is one current sensing line.
【請求項16】各々の膜のコンダクタンスは、各々が、
すべてのアドレスラインに共通な単一の電流センサー、
または、互いに電気的に絶縁されかつ一群のアドレスラ
インを測定する複数の電流センサーのいずれかによって
測定される信号を供給する、低インピーダンスアドレス
ライン間におけるスイッチング手段によって測定される
ことを特徴とする請求項1記載のバイオセンサー。
16. The conductance of each membrane is:
A single current sensor, common to all address lines,
Alternatively, it is measured by a switching means between the low impedance address lines, which is electrically isolated from each other and provides a signal measured by any of a plurality of current sensors measuring a group of address lines. Item 1. The biosensor according to Item 1.
【請求項17】各々の膜のコンダクタンスは、各々が、
すべてのアドレスラインに共通な単一の電流センサー、
または、互いに電気的に絶縁されかつ一群のアドレスラ
インを測定する複数の電流センサーのいずれかによって
測定される信号を供給する、高インピーダンスアドレス
ライン間におけるスイッチング手段によって測定される
ことを特徴とする請求項1記載のバイオセンサー。
17. The conductance of each membrane is:
A single current sensor, common to all address lines,
Alternatively, it is measured by switching means between the high impedance address lines, electrically isolated from each other and providing a signal measured by any of a plurality of current sensors measuring a group of address lines. Item 1. The biosensor according to Item 1.
【請求項18】前記ゲートイオンチャンネルは電界効果
イオンチャンネルであることを特徴とする請求項11記載
のバイオセンサー。
18. The biosensor according to claim 11, wherein the gate ion channel is a field effect ion channel.
【請求項19】複数の不連続な膜は、2次元配列に配置
されていることを特徴とする請求項18記載のバイオセン
サー。
19. The biosensor according to claim 18, wherein the plurality of discontinuous membranes are arranged in a two-dimensional array.
【請求項20】前記多重化ラインは、2次元配列におけ
る一方向の各アドレスラインが、電解効果イオンチャン
ネルによって、他方向のアドレスラインからの信号で相
互変調される信号成分を有するような複合信号から誘導
されることを特徴とする請求項19記載のバイオセンサ
ー。
20. The multiplexed line is a composite signal in which each address line in one direction in a two-dimensional array has a signal component which is intermodulated by a field effect ion channel with a signal from an address line in the other direction. 20. The biosensor of claim 19, which is derived from
【請求項21】各々の脂質膜のコンダクタンスは、各々
の膜に対して離間した1つの増幅器を用いること、また
は各々の膜間で1つの増幅器をスイッチングすること、
または複数の膜に対して複数の増幅器をスイッチングす
ることによって各膜が測定されるように測定されること
を特徴とする請求項1記載のバイオセンサー。
21. The conductance of each lipid membrane is using one amplifier spaced for each membrane, or switching one amplifier between each membrane,
The biosensor according to claim 1, wherein each membrane is measured as if by switching a plurality of amplifiers for the plurality of membranes.
【請求項22】前記イオンチャンネルが、ヘリックスお
よびそれの凝集体を形成することが可能なペプチド、ポ
ダンド、コロナンドおよびクリプタンドからなる群から
選択されることを特徴とする請求項4記載のバイオセン
サー。
22. The biosensor according to claim 4, wherein the ion channel is selected from the group consisting of a peptide capable of forming a helix and an aggregate thereof, a podand, a coronand and a cryptand.
【請求項23】前記イオンチャンネルはヘリックスまた
はその凝集体を形成することが可能なペプチドからなる
ことを特徴とする請求項22記載のバイオセンサー。
23. The biosensor according to claim 22, wherein the ion channel comprises a peptide capable of forming a helix or an aggregate thereof.
【請求項24】前記イオンチャンネルはβヘリックスか
らなるペプチドであることを特徴とする請求項23記載の
バイオセンサー。
24. The biosensor according to claim 23, wherein the ion channel is a peptide consisting of β-helix.
【請求項25】前記イオンチャンネルはグラミシジンま
たはその類似体であることを特徴とする請求項24記載の
バイオセンサー。
25. The biosensor according to claim 24, wherein the ion channel is gramicidin or an analog thereof.
【請求項26】前記イオンチャンネルはグラミシジンA
またはその類似体であることを特徴とする請求項25記載
のバイオセンサー。
26. The ion channel is gramicidin A
26. The biosensor according to claim 25, which is an analog thereof.
【請求項27】前記ゲートイオンチャンネルは脂質膜内
を側方拡散することが可能なことを特徴とする請求項4
記載のバイオセンサー。
27. The gate ion channel is capable of laterally diffusing in a lipid membrane.
The biosensor described.
【請求項28】各々の脂質膜のコンダクタンスは、高イ
ンピーダンスアドレスライン、各々の脂質膜に配設され
た分離アドレスライン及び/または膜の多重化からなる
手段によって測定されることを特徴とする請求項4記載
のバイオセンサー。
28. The conductance of each lipid membrane is measured by means comprising high impedance address lines, separate address lines disposed on each lipid membrane and / or membrane multiplexing. Item 4. The biosensor according to Item 4.
【請求項29】各々の脂質膜のコンダクタンスは、膜の
多重化によって測定されることを特徴とする請求項28記
載のバイオセンサー。
29. The biosensor according to claim 28, wherein the conductance of each lipid membrane is measured by membrane multiplexing.
【請求項30】前記膜は、連続的に多重化されているこ
とを特徴とする請求項29記載のバイオセンサー。
30. The biosensor according to claim 29, wherein the membranes are sequentially multiplexed.
【請求項31】コンダクタンス測定は、低インピーダン
スの多重化ラインと少なくとも一つの電流感知ラインと
を用いることによって実施されることを特徴とする請求
項29記載のバイオセンサー。
31. The biosensor of claim 29, wherein the conductance measurement is performed by using a low impedance multiplexed line and at least one current sensing line.
【請求項32】一つの電流感知ラインが存在することを
特徴とする請求項31記載のバイオセンサー。
32. The biosensor of claim 31, wherein there is one current sensing line.
【請求項33】各々の膜のコンダクタンスは、各々が、
すべてのアドレスラインに共通な単一の電流センサー、
または、互いに電気的に絶縁されかつ一群のアドレスラ
インを測定する複数の電流センサーのいずれかによって
測定される信号を供給する、低インピーダンスアドレス
ライン間におけるスイッチング手段によって測定される
ことを特徴とする請求項21記載のバイオセンサー。
33. The conductance of each membrane is:
A single current sensor, common to all address lines,
Alternatively, it is measured by a switching means between the low impedance address lines, which is electrically isolated from each other and provides a signal measured by any of a plurality of current sensors measuring a group of address lines. Item 21. A biosensor according to item 21.
【請求項34】各々の膜のコンダクタンスは、各々が、
すべてのアドレスラインに共通な単一の電流センサー、
または、互いに電気的に絶縁されかつ一群のアドレスラ
インを測定する複数の電流センサーのいずれかによって
測定される信号を供給する、高インピーダンスアドレス
ライン間におけるスイッチング手段によって測定される
ことを特徴とする請求項4記載のバイオセンサー。
34. The conductance of each membrane is:
A single current sensor, common to all address lines,
Alternatively, it is measured by switching means between the high impedance address lines, electrically isolated from each other and providing a signal measured by any of a plurality of current sensors measuring a group of address lines. Item 4. The biosensor according to Item 4.
【請求項35】前記ゲートイオンチャンネルは電界効果
イオンチャンネルであることを特徴とする請求項4記載
のバイオセンサー。
35. The biosensor according to claim 4, wherein the gate ion channel is a field effect ion channel.
【請求項36】複数の不連続な膜は、2次元配列に配置
されていることを特徴とする請求項35記載のバイオセン
サー。
36. The biosensor according to claim 35, wherein the plurality of discontinuous membranes are arranged in a two-dimensional array.
【請求項37】前記多重化ラインは、2次元配列におけ
る一方向の各アドレスラインが、電解効果イオンチャン
ネルによって、他方向のアドレスラインからの信号で相
互変調される信号成分を有するような複合信号から誘導
されることを特徴とする請求項36記載のバイオセンサ
ー。
37. The multiplexed signal is a composite signal in which each address line in one direction in a two-dimensional array has a signal component which is intermodulated by a signal from an address line in the other direction by field effect ion channels. 37. The biosensor of claim 36, which is derived from
【請求項38】各々の脂質膜のコンダクタンスは、各々
の膜に対して離間した1つの増幅器を用いること、また
は各々の膜間で1つの増幅器をスイッチングすること、
または複数の膜に対して複数の増幅器をスイッチングす
ることによって各膜が測定されるように測定されること
を特徴とする請求項4記載のバイオセンサー。
38. The conductance of each lipid membrane uses one amplifier spaced for each membrane, or switches one amplifier between each membrane,
The biosensor according to claim 4, wherein each membrane is measured by switching a plurality of amplifiers for the plurality of membranes.
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