JP4250481B2 - 多孔質構造体 - Google Patents

Description

本発明は、孔に機能性材料を担持した多孔質構造体に関する。多孔質構造体は、細孔に生体高分子を担持したシリコン−生体高分子複合体であり、それをモジュールとしてバイオセンサ装置及びバイオリアクタ装置に応用される。

近年、核酸やタンパク質等の生体高分子の選択性を産業的に利用した装置の開発が盛んになってきている。そのなかでも、デオキシリボ核酸（以下ＤＮＡと記す）やリボ核酸（以下ＲＮＡと記す）の配列依存性相補的水素結合を利用したＤＮＡセンサチップ、血液中に溶出する疾病マーカのレセプタや抗体分子を用いたタンパク質センサ、糖尿病患者のためのグルコースセンサに代表される、酸化還元酵素や加水分解酵素を用いた酵素センサ等のバイオセンサの研究開発が進められている。

さらに、酵素の選択的物質変換能を利用したバイオリアクタ分野でも、これまでのアミノ酸や異性化糖の合成、医薬本中間体の合成に加えて、アクリルアミド合成のようなコモディティケミカル（化成品原料）合成の分野、環境汚染物質の分解・無害化処理の領域でもその応用に向けた研究開発が行われている。

生体高分子を応用した製品領域に共通した大きな問題点の一つとして、装置に担持した生体高分子の安定性が挙げられる。特にタンパク質に関しては、外部環境に対して非常に不安定であり、その安定化技術が様々に試みられている。

酵素等のタンパク質の安定性を向上させる方法として、タンパク質を支持固体に固定化する方法やタンパク質表面をポリエチレングリコールや糖脂質等で修飾する方法が知られている。

従来の固定化方法としては、基板をタンパク質溶液に浸漬、または基板上へタンパク質溶液を塗布した後に乾燥させることで固定化する物理的吸着法、金基板の場合に使うアルカンチオールを用いる方法、基板または担体表面をシランカップリング剤処理した後にグルタルアルデヒド等架橋剤を用いて化学的結合による固定化する方法がある。しかし、このような架橋反応による化学的結合は結合部位に関しての選択性が低く、無作為に起こる為に酵素等のタンパク質の活性部位もしくはその活性に間接的に関わる部位が担体との結合部位となる場合がある。そのような場合、その活性に大きく影響したり、無作為な化学結合によりタンパク質の高次構造が崩れたり、反応に必要な構造変化を妨げることも懸念される。

上記のような固定化技術に対して、例えばアクリルアミドやポリビニルアルコールなどの有機高分子樹脂溶液や有機修飾基を有するシラン等のゾルないしはコロイド懸濁液がゲル化反応する際に酵素を樹脂中に包括することにより固定化する方法がある。

一般的に酵素をポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）のような網状組織を有するポリマーの「ゲル」に包括する技術が知られている。

これは、酵素の固定化は酵素の全周に配置されたゲルポリマーによる物理的に包含することにより行われ、このことが酵素の高次構造を安定させ、長期安定性が期待される。しかしながら、一方では、ゲルによる酵素の包括は、常にあらゆる角度から酵素とゲル物質との相互作用やゲル化剤による架橋形成により、酵素活性に必要な酵素の高次構造の柔軟性を損なわせ、酵素反応活性に低下させることが懸念される。

また、バイオセンサやバイオリアクタ装置への応用を考えた場合、バイオセンサ装置の認識素子またはバイオリアクタ装置の反応触媒となる酵素等のタンパク質がゲル中に包括された状態で検知すべきまたは反応すべき目的の分子とを十分に接触させることができるか等の高感度を実現する為に幾つかの問題がある。

下記特許文献１においては、構造安定性を有する構造ユニットに酵素を固定する技術が開示されている。構造ユニットとしては、メソポーラスシリカや多孔性ポリマー等が開示されている。これによれば、構造ユニットが安定であるので外部環境の変化によっても固定された酵素の立体構造が変化することを抑制されるとの効果が記載されている。このような構造ユニットによる酵素固定化としては、ペルオキシダーゼ、スルフィナーゼ、モノオキシゲナーゼ、ジオキシゲナーゼ、イソメラーゼから選ばれる少なくとも１種の酵素に前記方法に適用した燃料改質用安定化酵素が知られている。また、ペルオキシダーゼを適用したリグニンの酵素的分解方法や、光学異性体に対して基質特異性を示すリパーゼに適用した固定化リパーゼ、及びリパーゼの基質特異性向上方法が知られている。また、下記特許文献２には、前記メソポーラスシリカの開口部及び／又は内部空隙にはゲル化物質の網状構造が形成されていることを特徴とする酵素の固定化方法及び固定化酵素が開示されている。

また、下記非特許文献１には、径が３２０〜３４０ｎｍの細孔を有するシリカ或いはアルミノシリケートのメソポーラスモレキュラーシーブス中に、直径３００ｎｍのウマ心臓チトクロームｃを固定化し、酸化還元反応を評価した結果が報告されている。また、トリプシンをメソポーラスシリカ中に担持したという報告や、αキモトリプシンをナノポーラスゾルゲルガラスの細孔中にトリメトキシシリルプロパナールをリガンドとして担持し熱安定性やメタノール中での活性が向上したという報告がある。

しかし、上記メソポーラスシリカや高分子ゲルを用いた何れの固定化酵素において、構造ユニットが有する細孔は無秩序にランダム形成されており、細孔にタンパク質等の生体高分子を定量的に固定化することは難しい。その為、昨今のセンサ装置の要求品質である“高感度且つ小型化“を実現するには問題が多い。また、リアクタ装置としても、酵素固定化部材の内側の構造ユニットまで反応液が浸透しにくいため、反応率を上げるために酵素固定化部材の面積拡大や反応時間の延長を必要となる。
特開２０００−１３９４５９号公報 特開２００１−１７８４５７号公報 JOURNAL of Molecular Catalysis. B,Enzymatic,Vol.2(2-3),1996

上記のように多数の報告からもわかるように、シリカに代表される従来公知の無機多孔質材料へタンパク質を担持させる方法はタンパク質の外的環境に対する安定化という点で非常に優れている。

一方、生体高分子を担持したバイオセンサ分野やバイオリアクタ分野においては、今後の世の中のニーズを考えると装置の小型化やハイスループットな処理は不可欠となる。それに対応した微小領域での検知感度や反応時間短縮、反応効率の更なる向上が求められており、これらの技術要素を達成するための多くの開発要素が残されている。このような“小型化・高感度”に対して、上記で開示されている技術は、多孔質材料の細孔の方向が必ずしも一定ではなく、感度や反応時間、効率の更なる向上を達成するためには必ずしも好ましい形態とはいえず課題が残る。

このようなことから、バイオセンサ、バイオリアクタ装置において“小型化・高感度”を達成する為には、上記の課題を克服する必要があった。

このような技術的背景により、本発明者らは種々検討を重ねた結果、構造体の一平面上に少なくとも１以上の柱状形状の細孔を有し、且つ前記細孔を取り囲むようにシリコンを主金属元素とするシリコン領域を有するシリコン構造体で、前記細孔が前記平面に対して垂直またはほぼ垂直である構造体の細孔中に生体高分子を形成する方法を見出し、本発明に至った。

即ち、本発明は、無機材料と生体材料を複合した各種デバイスへの応用範囲をより拡大し得る、新規な構成を有する孔に機能性材料を担持した多孔質構造体を提供することである。

また、本発明は、上記多孔質構造体をモジュールとして含んだ新規なバイオセンサ装置、及びバイオリアクタ装置を提供することである。

上述の課題を解決するため、本発明は、孔に機能性材料を担持した多孔質構造体であって、前記構造体は共晶を形成する成分としてのシリコン及びアルミニウムを含有し、複数の柱状の孔を有していて且つ前記孔の壁面に機能性材料として生体高分子が担持されていることを特徴とする。

特に、前記孔の平均直径が１０ｎｍ以下であることを特徴とする。

また、前記生体高分子が、たんぱく質、核酸又はたんぱく質と核酸の何れかであることを特徴とする。

また、前記核酸がデオキシリボ核酸、リボ核酸の何れかであることを特徴とする。

また、前記多孔質構造体が酸化物を含有することを特徴とする。

また、前記多孔質構造体が、酸素を除く元素の総量に対してシリコンを８０ａｔｏｍｉｃ％以上含有することを特徴とする。

さらに、本発明は、前記多孔質構造体を備えたバイオセンサ装置である。

また、本発明は、前記多孔質構造体を備えたバイオリアクタ装置である。

本発明によれば、孔に機能性材料を担持した多孔質構造体であって、前記構造体は共晶を形成する成分としてのシリコン及びアルミニウムを含有し、複数の柱状の孔を有していて且つ前記孔の壁面に機能性材料として生体高分子が担持されていることにより、バイオセンサ装置又はバイオリアクタ装置として応用した場合、小型化・高感度を達成することができる。

まず、本発明の実施の形態について概要を説明する。

本発明の孔に機能性材料を担持した多孔質構造体は、ナノ構造体であり、構造体の一平面上に少なくとも１以上の細孔を有し、柱状形状の細孔とそれを取り囲むシリコンを主金属元素とするシリコン領域を有するシリコン構造体の細孔中に生体高分子が担持されているシリコン−生体高分子複合体であって、前記細孔が前記平面に対して垂直またはほぼ垂直方向に柱状形状に形成され、且つ前記細孔の壁面もしくは底面の何れかに生体高分子が担持されている。

このような構造体は、細孔の柱状形状の方向が前記構造体の一平面に対して垂直もしくはほぼ垂直、つまり一方向性多孔体であるので、無秩序な多方向性多孔体と比べ酵素等のタンパク質の固定化が定量的に行うことが出来る。また、構造体の外部環境、例えば酵素固定化用の反応液及び測定用溶液と接触する細孔内面の表面積が増加することが期待できる。このような構造体材料を実際にバイオリアクタやバイオセンサとして用いる場合に、感度や反応時間、効率の更なる向上が期待できる。

また、本発明は前記細孔の平均孔径が１０ｎｍ以下であり、且つ前記細孔同士の平均間隔が１５ｎｍ以下であることを特徴とするシリコン−生体高分子複合体であることが好ましい。このように前記細孔の平均孔径を１０ｎｍ以下とすることで、径が１０ｎｍ以下の酵素等のタンパク質及びＤＮＡ等の核酸分子を孔内に保持することができる。特に、径が１０ｎｍ以下の酵素においては三次元構造が安定するとともに、少なくとも本発明の細孔は少なくとも一方向が構造体の外側に開放されているので活性時の構造変化に対しても与える制限が少なく、活性などへの影響が少ないことが期待される。

また、前記構造体が膜状であることが好ましい。膜状であることによって、任意の面積を持つ電極上に転写することも可能である。

また、前記膜状構造体が基板上に形成されていることが好ましい。基板上に前記構造体を設けることにより構造体が安定化することができる。また、被成膜基板を電極として用いることも可能である。

また、前記生体高分子が前記核酸分子または前記タンパク質分子から少なくとも一種類以上選択されることが望ましい。

また、前記シリコン構造体は酸化されていてもよい。構造体全体を酸化物とすることによりシリコン酸化物半導体として機能を利用したモジュール制御をすることができる。

また、前記シリコン領域が酸素を除くすべての元素の総量に対してシリコンを８０ａｔｏｍｉｃ％以上含有することが好ましく、より好ましくは９０ａｔｏｍｉｃ％以上である。このような構造体では、細孔周辺の構造が安定し、シリコンもしくはシリコン酸化物としての物性を示し制御し易い。

本発明のバイオセンサ装置は、構造体の一平面上に少なくとも１以上の細孔を有し、且つ前記細孔を取り囲むようにシリコンを主金属元素とするシリコン領域を有するシリコン構造体において、前記細孔が前記平面に対して垂直またはほぼ垂直方向に柱状形状に形成され、且つ前記細孔の壁面に生体高分子が担持されているシリコン−生体高分子複合体をモジュールとして含んでいる。

また、上記シリコン構造体が酸化されていたシリコン酸化物−生体高分子複合体をモジュールとして含んでいる。

本発明のバイオリアクタ装置は、構造体の一平面上に少なくとも１以上の細孔を有し、且つ前記細孔を取り囲むようにシリコンを主金属元素とするシリコン領域を有するシリコン構造体において、前記細孔が前記平面に対して垂直またはほぼ垂直方向に柱状形状に形成され、且つ前記細孔の壁面に生体高分子が担持されているシリコン−生体高分子複合体をモジュールとして含んでいる。

また、上記シリコン構造体が酸化されていたシリコン酸化物−生体高分子複合体をモジュールとして含んでいる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

＜シリコン構造体の構成＞
図１は、本発明のシリコン又はシリコン酸化物構造体を示す概略図である。

図１（ａ）は、細孔の平均孔径が１０ｎｍ以下であり、かつ互いに隣接する前記細孔の平均間隔が１５ｎｍ以下であり、前記細孔が互いに独立し、かつ膜面（１以上の細孔を有する構造体の平面）に対して垂直またはほぼ垂直であり、前記細孔を隔てる壁材のシリコン領域がシリコンを主成分とする材料からなるシリコン構造体の模式的平面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）の鎖線ＡＡに沿ってシリコン構造体を切ったときの模式的断面図である。図１において、１は細孔（ナノホール）、２はシリコン領域、３は基板である。

本発明のシリコン構造体は、細孔１とシリコンを主金属成分とする組成からなるシリコン領域２（壁材料）により構成されていることを特徴とする。また、前記細孔は、図１（ｂ）に示されているようにシリコン領域により、互いに分離されており、また、基板に対して垂直またはほぼ垂直に形成されている。

また、本発明のシリコン構造体を構成している細孔の形状は、図１（ｂ）に示されているように柱状形状である。また、細孔の孔径（平均孔径を示す）２ｒは１０ｎｍ以下であり、細孔の間隔（平均間隔を示す）２Ｒは１５ｎｍ以下である。好ましくは、細孔の径２ｒは１〜９ｎｍであり、その間隔２Ｒは３〜１０ｎｍである。また、長さＬは５ｎｍ〜数μｍ、好ましくは２ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲である。ここで平均孔径とは、例えば、実際のＳＥＭ写真（約１００ｎｍ×７０ｎｍの範囲）で観察される細孔部分をコンピュータで画像処理して、導出される値である。

また、本発明のシリコン構造体内の細孔は、図１（ｂ）に示されるように、細孔と基板を直接つなげることができるが、これに限定されるものではなく、基板と細孔をつなげなくてもよい。

また、本発明のシリコン構造体を構成しているシリコン領域の組成は、シリコン（Ｓｉ）を主成分とするが、アルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）などの酸化物の他、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ）などの各種の元素を含有してもよい。シリコン酸化物領域におけるシリコン（Ｓｉ）の含有量は酸素を除くすべての元素に対して８０ａｔｏｍｉｃ％以上、好ましくは８５〜９９ａｔｏｍｉｃ％の範囲である。

なお、アルミニウムの含有量は酸素を除くすべての元素に対して、０．０１〜２０ａｔｏｍｉｃ％の範囲であり、好ましくは０．１〜１０ａｔｏｍｉｃ％の範囲である。

また、本発明のシリコン構造体を構成しているシリコンの構造は、非晶質シリコンであることが望ましいが、結晶化させて結晶質のシリコン酸化物を含んでいてもよい。

また、本発明のシリコン構造体を酸化してシリコン酸化物構造体としてもよい。酸化して得られた本発明のシリコン酸化物構造体は上記シリコン構造体のシリコンをシリコン酸化物に置換したものであり同じ特性を得ることができる。

また、本発明のシリコン構造体を構成している細孔部分の基板上面からみた形状は、図１（ａ）のように、ほぼ円形のものでもよいし、また楕円形など任意の形状が可能である。また、本発明のシリコン構造体を構成している細孔部分の基板断面からみた形状は、図１（ｂ）のように長方形形状でもよいし、正方形や台形など任意の形状が可能である。なお、細孔の柱状形状とは上記サイズを満足するものであれば、任意のアスペクト比（長さＬ／孔径２ｒ）を有する形状を含むものである。なお、好ましくはアスペクト比（長さＬ／孔径２ｒ）は０．５〜１０００の範囲である。

次に、本発明のシリコン又はシリコン酸化物構造体の製造方法を説明する。

図２は、本発明のシリコン又はシリコン酸化物構造体の製造方法の一例を示す説明図である。図３は、同じく製造方法の他の例を示す説明図である。

（ａ）工程：アルミニウムとシリコンを用意する工程
原料としてのシリコン及びアルミニウムを、例えば、図４に示すように、アルミニウムのターゲット１２上にシリコンチップ１３を配置する。

（ｂ）工程：アルミニウムシリコン混合膜の形成工程
次に、基板上にアルミニウムシリコン混合膜を形成する。ここでは、非平衡状態で物質を形成する成膜法として、スパッタリング法を用いた例を示す。

基板２２上に、非平衡状態で物質を形成する成膜法であるマグネトロンスパッタリング法により、アルミニウムシリコン混合膜２３を形成する。アルミニウムシリコン混合膜２３は、アルミニウムを主成分とする組成からなるアルミニウム柱状構造体２１と、その周囲のシリコンを主成分とするシリコン領域２４から構成される。

図４は、本発明におけるアルミニウムシリコン混合膜の成膜方法の一例を示す概略図である。

図４を用いて、非平衡状態で成膜する方法として、スパッタリング法を用いてアルミニウムシリコン混合体を成膜する方法について説明する。なお、図４において、１１が基板、１２がアルミニウムのスパッタリングターゲットである。スパッタリング法を用いる場合は、アルミニウムとシリコンの割合を簡単に変化させることができる。

基板１１上に、非平衡状態で物質を形成する成膜法であるマグネトロンスパッタリング法により、アルミニウムシリコン混合膜を形成する。

原料としてのシリコン及びアルミニウムは、例えば、図４のようにアルミニウムのターゲット１２上にシリコンチップ１３を配することで達成される。シリコンチップは、図４では、複数に分けて配置しているが、勿論これに限定されるものではなく、所望の成膜が可能であれば、１つであってもよい。但し、均一なアルミニウムを含む柱状構造体をシリコン領域内に均一に分散させるには、基板１１に対象（例えば同心円上）に配置しておくのがよい。

また、所定量のアルミニウムとシリコンとの粉末を焼成して作製したアルミニウムシリコン焼成物を成膜のターゲット材として用いることもできる。

また、アルミニウムターゲットとシリコンターゲットを別々に用意し、同時に両方のターゲットをスパッタリングする方法を用いてもよい。

形成される膜中のシリコンの量は、アルミニウムとシリコンの全量に対して２０〜７０ａｔｏｍｉｃ％であり、好ましくは２５〜６５ａｔｏｍｉｃ％、さらに好ましくは３０〜６０ａｔｏｍｉｃ％である。シリコン量が斯かる範囲内であれば、シリコン領域内にアルミニウムの柱状構造体が分散したアルミニウムシリコン混合膜が得られる。

本発明において、シリコンとアルミニウムの割合等を示すａｔｏｍｉｃ％とは、例えば、シリコンとアルミニウムなどの単原子について原子の数の割合を示し、ａｔｏｍ％あるいはａｔ％とも記載され、例えば誘導結合型プラズマ発光分析法でアルミニウムシリコン混合膜中のシリコンとアルミニウムの量を定量分析したときの値である。

なお、上記割合においては、ａｔｏｍｉｃ％を単位として用いているが、ｗｔ％を単位として用いる場合は、例えばシリコンが２０ａｔｏｍｉｃ％以上７０ａｔｏｍｉｃ％以下の場合は、２０．６５ｗｔ％以上７０．８４ｗｔ％以下となる（ａｔｏｍｉｃ％からｗｔ％への換算は、Ａｌの原子量を２６．９８２、Ｓｉの原子量を２８．０８６としてＡｌとＳｉの重量比を求め、（重量比）×（ａｔｏｍｉｃ％）の値からｗｔ％に換算することができる。

また、基板温度としては、２００℃以下であり、好ましくは１００℃以下、さらに好ましくは室温（２５℃）あるいはそれ以下であるのがよい。

なお、このような方法でアルミニウムシリコン混合膜を形成すると、アルミニウムとシリコンが準安定状態の共晶型組織となり、アルミニウムがシリコンマトリックス中に数ｎｍレベルのナノ構造体（柱状構造体）を形成し、アルミニウムとシリコンが自己組織的に分離する。そのときのアルミニウムはほぼ円柱状形状であり、その孔径は１〜１０ｎｍであり、間隔は３〜１５ｎｍである。

アルミニウムシリコン混合膜のシリコンの量は、例えばアルミニウムターゲット上に置くシリコンチップの量を変えることで制御できる。

非平衡状態で成膜を行う場合、特にスパッタリング法の場合は、アルゴンガスを流したときの反応装置内の圧力は、０．２〜１Ｐａ程度がよく、プラズマを形成するための出力は４インチターゲットの場合は１５０から１０００Ｗ程度が好ましい。しかし、特に、これに限定されるものではなく、アルゴンプラズマが安定に形成される圧力及び出力であればよい。

基板としては、例えば石英ガラスやプラスチックをはじめとする絶縁体基板やシリコンやガリウム砒素をはじめとする半導体基板、金属基板などの基板や、これらの基板の上に１層以上の膜を形成したものが挙げられる。なお、アルミニウムシリコン混合膜の形成に不都合がなければ、基板の材質、厚さ、機械的強度などは特に限定されるものではない。

また、基板の形状としては平滑な板状のものに限らず、曲面を有するもの、表面にある程度の凹凸や段差を有するものなどが挙げられるが、アルミニウムシリコン混合膜に不都合がなければ、特に限定されるものではない。

非平衡状態で物質を形成する成膜法は、スパッタリング法が好ましいが抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着（ＥＢ蒸着）をはじめとする任意の非平衡状態で物質を形成する成膜法が適用可能である。

また、成膜する方法としては、シリコンとアルミニウムを同時に形成する同時成膜プロセスを用いてもよいし、シリコンとアルミニウムを数原子層づつ積層する積層成膜プロセスを用いてもよい。

上記の様にして成膜されたアルミニウムシリコン混合膜２３は、アルミニウムを主成分とする組成からなるアルミニウム柱状構造体２１と、その周囲のシリコンを主成分とするシリコン領域２４を備える。

アルミニウムを含有する柱状構造体部２１の組成は、アルミニウムを主成分とするが、柱状構造の微細構造体が得られていれば、シリコン、酸素、アルゴン、窒素などの他の元素を含有していてもよい。なお、主成分とは、柱状構造体部の成分構成比においてアルミニウムの割合が８０ａｔｏｍｉｃ％以上、好ましくは９０ａｔｏｍｉｃ％以上が望ましい。

また、アルミニウム柱状構造体の周囲を取り囲んでいるシリコン領域２４の組成は、シリコンを主成分とするが、柱状構造の微細構造体が得られていれば、アルミニウム、酸素、アルゴン、窒素、水素などの各種の元素を含有してもよい。なお、主成分とは、シリコン領域の成分構成比においてシリコンの割合が８０ａｔｏｍｉｃ％以上、好ましくは９０ａｔｏｍｉｃ％以上が望ましい。

（ｃ）工程：細孔形成工程
上記のアルミニウムシリコン混合膜中のアルミニウム領域（アルミニウムを含む柱状構造体領域）のみを選択的にエッチングを行う。このエッチング方法としては、アルミニウムのみを選択的に溶解する酸やアルカリを用いたウエットエッチングが好ましい。その結果、アルミニウムシリコン混合膜には、細孔を有するシリコン領域のみが残り、シリコン構造体２５が形成される。なお、シリコン構造体２５中の細孔２６は、間隔２Ｒが１５ｎｍ以下、孔径２ｒが１０ｎｍ以下であるが、好ましくは、細孔の孔径２ｒは１〜９ｎｍであり、その中心間距離２Ｒは３〜１０ｎｍである。また、長さＬは１ｎｍ〜数μｍの範囲である。なお、アルミニウム領域のみを選択的にエッチングとは、実質的にアルミニウム部分が除去されればよい。

ウエットエッチングに用いる溶液は、例えば、アルミニウムを溶かしシリコンをほとんど溶解しない、りん酸、硫酸、塩酸、クロム酸溶液などの酸が挙げられるが、エッチングによる細孔形成に不都合がなければ水酸化ナトリウムなどのアルカリを用いることができ、特に酸の種類やアルカリの種類に限定されるものではない。また、数種類の酸溶液やあるいは数種類のアルカリ溶液を混合したものを用いてもよい。またエッチング条件は、例えば、溶液温度、濃度、時間などは、作製するシリコン構造体に応じて、適宜設定することができる。

さらに、以下の工程（ｄ）を加えることによってシリコン酸化物構造体を得ることができる。

（ｄ）工程：シリコン構造体の酸化工程
工程（ｃ）で作製されたシリコン構造体の酸化方法としては、酸素雰囲気中で加熱する方法の他、水蒸気中あるいは空気中での加熱、陽極酸化、酸素プラズマにさらすなどの任意のシリコン酸化方法が適用可能である。シリコン領域のシリコンは酸化されてシリコン酸化物領域２９となり、シリコン酸化物構造体２８が得られる。

また、本発明は、図３の工程（ｅ'）に示す様に、工程（ｃ）で作製されたシリコン構造体の細孔の拡大を行なったシリコン構造体を、酸素雰囲気中で加熱し、シリコン酸化物構造体を得る方法でもよい。また、孔壁全てを酸化物にする必要がない場合には、酸化工程の時間を短くしてもよい。

（ｅ）及び（ｅ'）工程：細孔径の拡大工程
細孔径の拡大工程は、図２に示す様に、工程（ｄ）で作製されたシリコン酸化物構造体の細孔の拡大［（ｅ）工程］を行う。または、図３に示す様に、工程（ｃ）で作製されたシリコン構造体の細孔の拡大［（ｅ'）工程］を行う。２７は、拡大した細孔を示している。

細孔径の拡大は、上記シリコン構造体またはシリコン酸化物構造体に対してシリコンまたはシリコン酸化物を溶解する酸溶液（例えばフッ化水素を薄めた溶液など）、あるいはアルカリ溶液（水酸化ナトリウムなど）中に浸すポアワイド処理（孔径拡大処理）により、適宜、細孔径を広げることができる。

この溶液も特に細孔の拡大に問題がなければどのような酸及びアルカリを用いてもよい。また、数種類の酸溶液やあるいは数種類のアルカリ溶液を混合したものを用いてもよい。

また細孔孔径拡大（ポアワイド処理）条件は、例えば、溶液温度、濃度、時間などは、作製する細孔の大きさに応じて、適宜設定することができる。

上記の様に、本発明のシリコン酸化物構造体の製造方法は、細孔の孔径の拡大をシリコン構造体の作製後に行う方法、またはシリコン酸化物構造体を作製した後に、細孔の孔径の拡大処理を行う方法が含まれる。このときもシリコン酸化物を溶解する任意の酸やアルカリ溶液を使用することができる。

次に、上記の方法により得られたシリコン酸化物構造体の細孔内に生体高分子を担持する方法について述べる。

本発明において、シリコン酸化物構造体に担持する生体高分子としては、核酸分子またはタンパク質から少なくとも一種類以上選択される。特に、分子量の大きいタンパク質分子はその径がシリコン酸化物構造体の細孔径以下であることが望ましい。

シリコン酸化物構造体の細孔へ生体高分子を担持する方法としては、生体高分子を含む水溶液中に前記構造体を浸漬する方法が最も簡便である。この時の生体高分子を含有する水溶液の生体高分子濃度、その他塩濃度、及び温度等の反応条件は、生体高分子の表面荷電特性、径及びシリコン酸化物の細孔の形状・大きさを考慮して適宜選択される。

上記のようにして得られたシリコン酸化物構造体表面を洗浄し、細孔以外の構造体表面に吸着した生体高分子を除去し、所望の条件により前記構造体を乾燥するにより生体高分子を担持した本発明の多孔質構造体を得る。

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。

［実施例１］
図５は、本発明のシリコン又はシリコン酸化物構造体の一例を示す概略図である。

３１は基板、３２は細孔、３３はシリコン酸化物領域である。

本実施例は平均細孔間隔２Ｒが８ｎｍであり、平均細孔径２ｒが５ｎｍであり、高さＬが２００ｎｍである細孔を有するシリコン酸化物構造体を形成した例を示す。

図２（ｂ）に示すように、シリコン基板上に、マグネトロンスパッタリング法を用いて、シリコンをアルミニウムとシリコンの全量に対して３７ａｔｏｍｉｃ％含んだアルミニウムシリコン混合膜を約２００ｎｍの厚さに形成した。ターゲットには、直径が４インチ（１０１．６ｍｍ）の円形のアルミニウムターゲット上に１５ｍｍ角のシリコンチップを６枚置いたものを用いた。スパッタ条件は、ＲＦ電源を用いて、Ａｒ流量：５０ｓｃｃｍ、放電圧力：０．７Ｐａ、投入電力：１ｋＷとした。また、基板温度は室温（２５℃）とした。

なお、ここではターゲットとして、アルミニウムターゲット上にシリコンチップを６枚置いたものを用いたが、シリコンチップの枚数はこれに限定されるものではなく、スパッタリング条件により変化し、アルミニウムシリコン混合膜の組成が約３７ａｔｏｍｉｃ％近辺になればよい。また、ターゲットはアルミニウムターゲット上にシリコンチップを置いたものに限定するものではなく、シリコンターゲット上にアルミニウムチップを置いたものでもよいし、シリコンとアルミニウムを焼結したターゲットを用いてもよい。

なお、ＦＥ−ＳＥＭ（電界放出走査型電子顕微鏡）にて、アルミニウムシリコン混合膜を観察したところ、図２（ｂ）のように、シリコン領域に囲まれた円形のアルミニウム柱状構造体が二次元的に配列していた。また、アルミニウム柱状構造体の孔径は６ｎｍであり、その平均中心間間隔は８ｎｍであった。また、高さは２００ｎｍであり、それぞれのアルミニウム柱状構造体部分はシリコン領域により互いに分離されていた。

このようなシリコンをアルミニウムとシリコンの全量に対して３７ａｔｏｍｉｃ％含んだアルミニウムシリコン混合膜をりん酸５ｗｔ％中にて４時間浸し、アルミニウム柱状構造体部分のみを選択的にエッチングして細孔を形成した。この結果、シリコン構造体が作製された。

次に、ＦＥ−ＳＥＭにて、りん酸エッチングしたアルミニウムシリコン混合膜（シリコン構造体）を観察した。基板真上方向から見た表面の形状はシリコン領域に囲まれた細孔が二次元的に配列していた。細孔部の孔径は６ｎｍであり、その平均間隔は約８ｎｍであった。また、断面をＦＥ−ＳＥＭにて観察したところ、高さは２００ｎｍであり、それぞれの細孔部分はシリコン領域により隔たれており互いに独立していた。また、細孔と基板の間には被膜の形成はなく基板と細孔の底部が直接つながっていた。

なお、ＦＥ−ＳＥＭにて、作製したシリコン酸化物構造体を観察した。基板真上方向から見た表面の形状はシリコンに囲まれた細孔が二次元的に配列していた。細孔部の孔径は５ｎｍであり、その平均間隔は約８ｎｍであった。また、断面をＦＥ−ＳＥＭにて観察した所、高さは２００ｎｍであり、それぞれの細孔部分はシリコン領域により隔たれておりお互いに独立していた。また、細孔と基板の間には被膜の形成はなく直接つながっていた。

この結果、図４に示されるようなシリコン構造体が作製された。

シリコン領域中のシリコンの含有量は、酸素を除くすべての原子に対して約９０ａｔｏｍｉｃ％であった。

次に、得られたシリコン構造体の細孔内に西洋わさび由来のペルオキシダーゼ（ＨＲＰ）を固定化する方法について以下に説明する。

りん酸水溶液（ｐＨ７.４）にＨＲＰ０．５ｇとヨウ化カリウムを３０ｍＭとなるように加える。得られるりん酸水溶液中に上記シリコン酸化物構造体を浸漬し、室温にて一晩攪拌する。その後、シリコン酸化物構造体を引き上げ、イオン交換水にて表裏を洗浄し、室温にて一日間静置して乾燥する。これにより、ＨＲＰ固定化シリコン酸化物構造体を得る。

［実施例２］
次に、本発明で得られる多孔質構造体を作製する方法について以下に示す。

実施例１において、基板をプラチナ酸化物基板とした以外は同様な方法によりシリコン構造体を基板上に形成する
得られるシリコン酸化物構造体の平均細孔間隔２Ｒが８ｎｍであり、平均細孔径２ｒが５ｎｍであり、高さＬで１０ｎｍが形成されている。

なお、実施例１と同様にラマン分光法により測定した所、シリコン構造体が非晶質シリコンであることが確かめられた。

上記シリコン構造体を酸素雰囲気中で加熱した。ここでは、大気圧で酸素を５０ｓｃｃｍ流しながら、８００℃で２時間加熱した。この結果、シリコン酸化物構造体が作製された。

また、広域電子エネルギー損失構造解析（ＥＥＬＳ）により、シリコン構造体を酸化した試料を測定したところ、この試料は酸素とシリコンが結合しており、この試料が酸化シリコンであることが確認できた。

なお、実施例１と同様にＦＥ−ＳＥＭにて、作製したシリコン酸化物構造体を観察した。基板真上方向から見た表面の形状はシリコン酸化物に囲まれた細孔が二次元的に配列していた。細孔部の孔径は５ｎｍであり、その平均間隔は約８ｎｍであった。また、断面をＦＥ−ＳＥＭにて観察した所、高さは２００ｎｍであり、それぞれの細孔部分はシリコン酸化物領域により隔たれており互いに独立していた。また、細孔と基板の間には被膜の形成はなく直接つながっていた。

シリコン酸化物領域中のシリコンの含有量は、酸素を除くすべての原子に対して約９０ａｔｏｍｉｃ％であった。

次に、実施例１と同様にして得られたシリコン酸化物構造体の細孔内に西洋わさび由来のペルオキシダーゼ（ＨＲＰ）を以下の方法により固定化する。

りん酸水溶液（ｐＨ７.４）にＨＲＰ０．５ｇとヨウ化カリウムを３０ｍＭとなるように加える。得られるりん酸水溶液中に上記シリコン酸化物構造体を浸漬し、室温にて一晩攪拌する。その後、シリコン酸化物構造体を引き上げ、イオン交換水にて表裏を洗浄し、室温にて一日間静置して乾燥する。これにより、ＨＲＰ固定化シリコン酸化物構造体を得る。

［実施例３］
上記で得られるシリコン酸化物構造体を用いたバイオセンサについて以下に示す。

実施例２で得られたＨＲＰ固定化電極を作用電極、対極として白金、参照電極として銀／塩化銀電極を３０ｍＭヨウ化カリウム／りん酸水溶液（ｐＨ７.４）を満たした容器に浸漬し、酵素電極測定系を作製する。

次に、作用電極であるＨＲＰ固定化電極の電位を−１００ｍＶに固定した状態で、測定系に過酸化水素溶液を終濃度１０乃至５００μＭになるように添加し、そのときのＨＲＰ固定化電極の電流値を測定する。

その結果、添加する過酸化水素量に比例したＨＲＰ固定化電極電流の増加が観察される。
上記過酸化水素電極が過酸化水素センサとして機能することが期待される。

［実施例４］
実施例２で得られるシリコン酸化物構造体を用いたバイオリアクタについて以下に示す。

上記で得られたＨＲＰ固定化シリコン酸化物構造体をＨＲＰ換算で約１.０ｍｇとなるように５０ｍｌビーカに秤量する。次に、５０ｍＭＴｒｉｓ−酢酸ナトリウム溶液２０ｍＬ加え、軽く攪拌する。さらに、上記マイクロチューブを６０℃にて１時間温浴する。ＨＲＰ固定化シリコン酸化物構造体を取り出し、室温に放置しながら冷却する。冷却したＨＲＰ固定化シリコン酸化物構造体は、５０ｍＭＴｒｉｓ−酢酸ナトリウム溶液に浸漬し、攪拌しながら洗浄する。

このようにして得られるＨＲＰ固定化シリコン酸化物構造体の酵素活性を以下の手順で測定する。

５０ｍＭＴｒｉｓ−酢酸ナトリウム水溶液１０ｍＬ、３０００ｐｐｍのフェノ−ル水溶液４００μＬ、３０％過酸化水素水を１００μＬ添加し、３０℃にてゆっくりと攪拌しながら１時間反応させる。

次に、上記反応液を１００μＬに１％４−アミノアンチピリン／１Ｍグリンシン液（ｐＨ９.６）を加え、４９０ｎｍによる吸光度から以下のような酵素活性低下を評価する。

酵素活性の評価は、熱処理を行っていないＨＲＰの吸光度に対する相対的な比較である。
また、アミノシラン処理を行ったシリカに対してグルタルアルデヒドを用いてＨＲＰを固定化したＨＲＰ／シリカに対しても上記と同様な熱処理を行い、酵素活性低下の評価を行う。

本実施例のシリコン酸化物構造体に固定化したＨＲＰでは、約１５％の酵素活性がみられた。一方、ＨＲＰ／シリカでは約７０％の活性が低下している。

以上の結果から、シリコン酸化物構造体に固定化されたＨＲＰは熱安定性に優れ、安定なバイオリアクタとして機能することが期待される。

本発明のシリコン又はシリコン酸化物構造体を示す概略図である。 本発明のシリコン又はシリコン酸化物構造体の製造方法の一例を示す説明図である。 同じく製造方法の他の例を示す説明図である。 本発明におけるアルミニウムシリコン混合膜の成膜方法の一例を示す概略図である。 本発明のシリコン又はシリコン酸化物構造体の一例を示す概略図である。

符号の説明

１，２６，３２ 細孔
２，２９，３３ シリコン又はシリコン酸化物領域
３，２２，３１ 基板
１１ 基板
１２ スパッタリングターゲット
１３ シリコンチップ
１４ Ａｒプラズマ
２１ アルミニウム柱状構造体
２３ アルミニウムシリコン混合膜
２４ シリコン領域
２５ シリコン構造体
２７ 拡大した細孔
２８ シリコン酸化物構造体

Claims (8)

1. 孔に機能性材料を担持した多孔質構造体であって、
   前記構造体は共晶を形成する成分としてのシリコン及びアルミニウムを含有し、複数の柱状の孔を有していて且つ前記孔の壁面に機能性材料として生体高分子が担持されていることを特徴とする多孔質構造体。
2. 前記孔の平均直径が１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の多孔質構造体。
3. 前記生体高分子が、たんぱく質、核酸、又はたんぱく質と核酸の何れかであることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の多孔質構造体。
4. 前記核酸が、デオキシリボ核酸、リボ核酸の何れかであることを特徴とする請求項３に記載の多孔質構造体。
5. 酸化物を含有することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の多孔質構造体。
6. 酸素を除く元素の総量に対してシリコンを８０ａｔｏｍｉｃ％以上含有することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の多孔質構造体。
7. 請求項１〜６の何れかに記載の多孔質構造体を備えたバイオセンサ装置。
8. 請求項１〜６の何れかに記載の多孔質構造体を備えたバイオリアクタ装置。

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