JP2004309483A - 選択された種の電気検出 - Google Patents

Abstract

【課題】有機電界効果トランジスタおよびその製造方法を提供すること。
【解決手段】このトランジスタは、有機分子を含んだ半導体フィルムを含む。半導体フィルムの外表面には、標的分子に結合する能力を有するプローブ分子が、フィルムの内部にプローブ分子が実質的に含まれないような方法で結合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に、選択された種、特に選択された生物関連種の電気検出を対象とする。詳細には本発明は、有機電界効果トランジスタを含むバイオセンサ・デバイス、およびこのデバイスの製造方法を対象とする。

天然のＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質、他の天然分子、人造アプタマー、合成タンパク質、合成毒素など、多数の生物関連種の迅速同時検出に大きな関心が寄せられている。バイオセンサ技術の進歩は、薬物の発見、遺伝子突然変異の検出、遺伝子治療の効果の評価、生物毒素の同定など、潜在的な数多くの医療応用を容易にした。

例えば、タンパク質、ホルモンおよびさまざまな病原体を検出する従来の放射免疫測定法は、固体支持体に抗体を結合させてマイクロ・アレイを形成し、次いでこの抗体アレイに分析物を暴露することを含む。ＤＮＡ断片の分析も同様に、例えばある生物のゲノムを表す一本鎖標的ＤＮＡ断片を固体支持体上の個々のウェルに固定してマイクロ・アレイを形成することを含む。ＤＮＡチップとも呼ばれるこのようなＤＮＡマイクロ・アレイは、特定の標的ＤＮＡ断片を検出する非常に感度の高い手段を提供する。このマイクロ・アレイは、蛍光標識された未同定のｃＤＮＡまたはｍＲＮＡプローブに標的ＤＮＡ断片を暴露することによって分析される。プローブｃＤＮＡまたはｍＲＮＡの核酸配列が標的ＤＮＡの核酸配列と相補的であるとき、プローブｃＤＮＡまたはｍＲＮＡはそのＤＮＡ断片とハイブリッドを形成する。次いで、ｃＤＮＡまたはｍＲＮＡに取り付けられた蛍光標識を、レーザおよび高感度蛍光検出機器を用いて検出する。

しかし、このようなＤＮＡマイクロ・アレイおよび他のタイプのアレイを広範囲に適用することは、いくつかの要因によって制限されている。例えば、マイクロ・アレイならびに蛍光標識されたｃＤＮＡおよびｍＲＮＡプローブはその製造または購入に大きなコストがかかる。蛍光を開始させるためのレーザ、および共焦点顕微鏡、蛍光検出機器などの検出機器の高いコストも、この技術を広範囲に適用することを制限している。さらに、このような機器のシヤー・バルクは、ＤＮＡマイクロ・アレイを分析することができる物理的な位置を限定する。

ＤＮＡおよびＲＮＡを検出する代替手段として電気バイオセンサ・デバイスが提案されている。特定の検定溶液中の標的分子の濃度に対応する電気的な読みは、マイクロ・アレイ技術の適用に必要な機器のサイズおよびコストの相当な低減を可能にするであろう。以前のバイオセンサ・デバイスは、一本鎖核酸配列からなる選択されたプローブ・オリゴヌクレオチド種で官能基化した有機ポリマーから作られた半導体フィルムを含む電極を使用している。あるいは、その有機ポリマーの単量体を官能基化し、次いでこれを重合させて、官能基化された有機ポリマーを形成する。いずれの場合も、プローブ・オリゴヌクレオチドは有機ポリマーに側鎖として結合される。次いでこの官能基化された有機ポリマーから半導体フィルムを作る。適当な相補標的核酸配列を含む液体に暴露すると、プローブと標的核酸配列はハイブリッドを形成し、これによって半導体フィルムに含まれる官能基化された有機ポリマーの導電率が検出可能に変化する。
Ｋｏｒｒｉ−Ｙｏｕｓｓｏｕｆｉ，Ｈ．，ｅｔ ａｌ．、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１１９：７３８８−８９（１９９７） Ｋａｔｚ，Ｈ．Ｅ．，ｅｔ ａｌ．Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．１０：６３３−３８（１９９８） Ｔｈｏｒｓｅｎ ｅｔ ａｌ．、Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９８：５８０−５８４（２００２）

本発明の１つの目的は、さまざまな標的生物関連種の検出用の高感度電気デバイスを提供することにある。本発明の他の目的は、このようなデバイスの製造方法を提供することにある。

本発明は、このような電気デバイスの応用が限定されたものになっているのは感度が不十分なためであり、感度が不十分なのは、１つには、有機ポリマーの側鎖を官能基化するとポリマーの導電率が低下してしまうためであると認識している。さらに、有機ポリマー全体に取り付けられたプローブ分子に標的生体分子が結合しても、少量の標的生物分子を検出できるほどには導電率は変化しない。

これらの欠陥に対処するため、本発明の一実施形態は、標的生物分子検出用の有機電界効果トランジスタを提供する。このトランジスタは有機分子を含んだ半導体フィルムを含む。さらに、半導体フィルムの外表面にはプローブ分子が結合しており、フィルムはその内部にプローブ分子を実質的に含まない。

他の実施形態では、本発明がさらに、標的生物分子検出用の有機電界効果トランジスタの製造方法を提供する。この方法は、トランジスタ・チャネルを形成する工程を含み、この工程は、有機分子を含む半導体フィルムをソースとドレインの間に形成する工程を含む。トランジスタ・チャネルを形成する工程はさらに、半導体フィルムの外表面にプローブ分子を結合させる工程を含み、半導体フィルムはその内部にプローブ分子を実質的に含まない。

本発明の他の実施形態は、標的生物分子検出用のバイオセンサ・システムである。このバイオセンサ・システムはバイオセンサ・デバイス、試料、および検定システムを備える。バイオセンサ・デバイスは、それぞれがトランジスタ・チャネルを含む１つまたは複数の有機電界効果トランジスタを含む。チャネルは、有機分子を含む半導体フィルムと、半導体フィルムの外表面に結合したプローブ分子とを備え、半導体フィルムはその内部にプローブ分子を実質的に含まない。試料は、１つまたは複数のプローブ分子に結合するように構成された標的分子を保持する能力を有する。検定システムは、バイオセンサ・デバイスが試料と接触するように構成されている。

本発明は、以下の詳細な説明を添付図を参照して読んだときに最もよく理解される。さまざまなフィーチャは同じ尺度で描かれているとは限らず、議論を分かりやすくするために適宜に拡大または縮小されていることがある。次に、以下の説明を添付図面とともに参照する。

本発明は、標的生物分子検出用の従来のバイオセンサの導電率が不十分であるのは、プローブ分子が、バイオセンサの半導体フィルムの有機ポリマー全体の内部側鎖に取り付けられているためであるとの認識から利益を得ている。ＤＮＡ、タンパク質などの核酸またはアミノ酸配列を含むプローブ分子は、官能基化された有機ポリマーからなる整然とした半導体フィルムの形成を妨げる。これによって、半導体フィルムの半導体有機ポリマー間の電荷移動の効率が低下する。本発明はさらに、ＤＮＡなどのプローブ分子は、このようなフィルムの内部全体に組み込むとかなりの絶縁特性を示し、これによってフィルムの導電率はさらに低下すると認識している。

本発明はさらに、プローブ分子が実質的にフィルムの外表面に取り付けられた導電性有機分子を含む半導体フィルムを有するバイオセンサ・デバイスを形成することが有利であることを認識している。フィルムの内部にプローブ分子がまったくまたは実質的に存在しないことによって、密に充てんされた有機分子の均一な結晶または多結晶フィルムの形成が容易になる。このことが有利なのは、フィルムの電荷移動特性が、一般に１つまたは複数の共役π結合を有し、共役π結合系を形成する有機分子の効率的な充てんによって決まるためである。１つの有機分子から別の有機分子への電荷移動の効率は、隣接する有機分子の共役π結合系間の距離が短くなるにつれて増大する。

図１に、標的生物分子検出用の有機電界効果トランジスタ１００の一部分の概略図を示す。トランジスタ１００は、有機分子１２０を含む半導体フィルム１１５を有するトランジスタ・チャネル１１０を備える。トランジスタ１００はさらに、半導体フィルム１１５の外表面１３０に結合したプローブ分子１２５を含む。フィルム１１５はその内部に、プローブ分子１２５をまったくまたは実質的に含まない。本発明の目的上、用語「プローブ分子を実質的に含まない」は、その中にせいぜい痕跡量のプローブ分子１２５しか存在しないフィルム１１５の内部に関する用語である。例えば、有機分子１２０が疎水性分子である実施形態では、ある種の核酸またはアミノ酸配列などの親水性プローブ分子１２５がフィルムの内部から排除される。このような実施形態では、フィルム１１５の内部の痕跡量のプローブ分子１２５が、有機分子１２０中でのプローブ分子１２５の溶解度を超えることはないであろう。

好ましい実施形態では有機分子１２０が共役π結合系を有する。ただし、有機分子１２０を有する任意の半導体材料が本発明の範囲に含まれる。フィルム１１５の有機分子１２０は整然と配列した結晶または多結晶構造を有することが好ましい。有機分子１２０は、半導体フィルム１１５を形成する能力を有する任意の炭素含有化合物とすることができる。より好ましくは、有機分子１２０が高い電界効果移動度（すなわち約１０^−４ｃｍ^２／Ｖ・ｓ超）を有する。より好ましくは有機分子１２０が、例えばオリゴチオフェン、ポリチオフェンなどの共役π結合系を有する分子によって提供される、約１０^−２ｃｍ^２／Ｖ・ｓ超の電界効果移動度を有する。

好ましいある実施形態では有機分子１２０がオリゴマーである。オリゴマーは、内部にプローブ分子１２５を含まない整然と配列した結晶性フィルムを形成する能力に優れているため、ある種の置換ポリマーよりも望ましい。本発明の目的上、半導体フィルム１１５の有機分子１２０に適用される用語オリゴマーは、２から１００個の反復単位を有する分子を指す。用語ポリマーは、１００を超える反復単位を有する有機分子１２０を指す。好ましいある実施形態では有機分子１２０が４から２０個の反復単位、より好ましくは４から１０個の反復単位を有するオリゴマーである。

例えば、オリゴチオフェンは２から１００個のチオフェン反復単位を有し、ポリチオフェンは１００を超えるチオフェン反復単位を有する。好ましい一実施形態では、有機分子１２０がセキシチオフェン（ｓｅｘｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）であり、より好ましくはαセキシチオフェンである。しかし、他の有機半導体化合物も本発明の範囲に含まれる。非限定的な例にはオリゴフェニルまたはポリフェニル化合物が含まれる。有機分子１２０はさらに、ペンタセンなどに見られるような互いに結合したベンゼン、ナフタレン、アントラセン環のようなさまざまなベンゾイド芳香環構造の組合せ、非ベンゾイド芳香環、またはチオフェンなどの複素環を含むことができる。

半導体フィルム１１５は有機分子の単分子層または多分子層を含むことができる。フィルムの厚さ１３２は約２０オングストローム以上とすることができる。好ましい一実施形態では、フィルム１１５の厚さ１３２が約２０から約１００オングストロームである。フィルム１１５の有機分子１２０がセキシチオフェンを含むある実施形態では、フィルムの厚さ１３２がセキシチオフェンの１から３分子層に相当する。

先に挙げた範囲の厚さ１３２など薄いフィルム１１５が好ましいのは、結果として得られるバイオセンサ・デバイスがより高感度になると予想されるためである。そうなるのは、半導体フィルム１１５を流れる電流は主に、絶縁層（例えばゲート誘電体）１４０と半導体フィルム１１５の間の界面１３５を流れると考えられるためである。プローブ分子１２５が界面１３５に近いほど、トランジスタ１００は、プローブ分子１２５への標的分子１４５の結合に関連したチャネル導電率の変化またはチャネル移動度の変化に対してより敏感になる。具体的には、プローブ分子１２５に標的分子１４５が結合することによって、チャネル導電率またはチャネル移動度、あるいはその両方が変化し、これによって標的分子１４５を検出する方法が提供される。

極めて薄い（例えば厚さ１３２が約３０オングストローム未満の）フィルム１１５が望ましい実施形態では、半導体フィルム１１５が有機分子１２０の単分子層を含むことが好ましい。いくつかの実施形態では、有機分子１２０をその下の絶縁層１４０に共有結合させることが好ましい。このような実施形態では、プローブ分子に結合する末端１５５とは反対側の有機分子の末端１５０を官能基化して、絶縁層１４０への共有結合を容易にする。絶縁層１４０が例えば二酸化シリコンである場合には、有機分子の末端１５０をシラン部分で官能基化することができる。

他の実施形態では、半導体フィルムが、フィルムの外表面１３０に位置する有機分子の末端１５５に結合されたリンカー分子１６０をさらに含むと有利である。リンカー分子１６０に取り付けられた１つまたは複数の官能基１６２、１６４は、後に詳細に論じるように、有機分子１２０へのプローブ分子１２５の結合を容易にする。この結合は、リンカー分子１６０と有機分子１２０、またはリンカー分子１６０とプローブ分子１２５の間の共有結合性または非共有結合性の相互作用を含むことができる。リンカー分子１６０はさらに、プローブ分子と有機分子を互いに結合させるときに、これらの分子を互いに離隔させる働きをする１つまたは複数のスペーサ基１６６を有することができる。スペーサ基１６６の使用が望ましいのは、有機分子１２０へのプローブ分子１２５の結合を容易にするために使用する官能基１６２、１６４が半導体フィルム１１５の電気特性に有害な影響を及ぼす可能性がある場合である。さらに、スペーサ基１６６は付着前に有機分子１２０に取り付けることが好ましい。スペーサ基１６６は、プローブ分子１２５を有機分子１２０から離隔させることによって、整然と充てんされた均一な構造の形成を容易にすることができ、そのためフィルム１１５は、プローブ分子１２０に結合した後もその導電特性を維持する。さらに、スペーサ基１６６の長さを調整することによって、プローブ分子１２０への標的分子１４５の結合がフィルム１１５の導電特性に対して有する影響を、例えば荷電標的分子１４５とフィルム１１５の間の距離を変化させることで、有利に増大または低減させることができる。他の有利な特徴は、リンカー分子１６０が、半導体フィルム１１５と標的分子１４５を含む水溶液との間の電気絶縁を提供することができることである。したがってある実施形態では、標的分子１４５が結合しても、有機分子１２０の電気特性は乱されない。

適当なリンカー分子１６０の例には、スペーサ基１６６に共有結合したアミノまたはチオール官能基１６２を有する化合物が含まれる。好ましいある実施形態ではスペーサ基１６６が、２０個までの炭素原子を有するアルキル鎖である。一実施形態ではリンカー分子１６０が、ｎ−ヘキサンからなるスペーサ基１６６の一端に取り付けられたアミノ官能基１６２を有する。ｎ−ヘキサン・スペーサ基１６６の他端は、セキシチオフェンからなる有機分子１２０の末端チオフェン環の５位の炭素に官能基１６４によって容易に取り付けられる。あるいは、有機分子１２０に隣接したリンカー分子の末端に官能基１６４がない。例えば、ｎ−ヘキサン・スペーサ基１６６は、有機分子１２０との間に、リンカー分子１６０を有機分子１２０に結合する働きをする非共有結合性相互作用を有することができる。他の好ましい実施形態では、リンカー分子１６０がポリイミドなどの有機ポリマーの層、または二酸化シリコンなどの無機ポリマーの層を含む。このような実施形態では、リンカー分子１６０が例えば、アミノシランまたはチオールシランをスペーサ基１６６のシリカを含む層に付着させることによってこの層に取り付けられたアミノまたはチオール官能基１６２を含むことができる。

プローブ分子１２５は、半導体フィルム１１５の有機分子１２０に結合する能力を有し、かつ特定の標的分子１４５または特定のクラスの標的分子１４５に結合する能力を有する任意の分子とすることができる。好ましいある実施形態では、プローブ分子１２５が、ＤＮＡ、タンパク質などの核酸またはアミノ酸配列を含む。好ましい他の実施形態ではプローブ分子１２５が、標的分子１４５の核酸配列の少なくとも一部分に対して相補的な核酸配列を有する一本鎖ＤＮＡである。プローブ分子１２５の他の実施形態はＲＮＡまたはアプタマーを含む。他の実施形態では、プローブ分子１２５が、標的タンパク質１４５に対して高い親和性を有する抗体または抗体断片などのタンパク質である。

標的分子１４５は生物分子であることが好ましい。ある実施形態では標的分子１４５が正味の正または負の電荷を有する。好ましいある実施形態では、標的分子１４５が、プローブ分子１２５と相補的なｃＤＮＡまたはｍＲＮＡである。このような実施形態では標的分子１２５が正味の負電荷を有する。他の実施形態では標的分子１４５がプローブ分子１２５に対する抗原である。半導体フィルム１１５の有機分子１２０に結合したプローブ分子１２５に荷電標的分子１４５が結合すると、半導体フィルム１１５の近傍の静電荷が変化する。これによって半導体フィルム１１５が受ける電界が変化する。この電界の変化の結果、トランジスタ１００のソース電極とドレイン電極１７０、１７５の間の電流が、チャネル１１０が受ける電界の変化に比例して変化する。固定された環境条件（例えば一定のｐＨ、温度およびイオン強度）の下では、電界の変化の程度は、プローブ分子１２５に結合している標的分子１４５の数に比例する。

しかし他の実施形態では標的分子１４５が正味の電荷を持たない。中性の標的分子１４５がプローブ分子１２５に結合すると、半導体フィルム１１５の近傍の比誘電率が変化する。これによって、標的分子１４５を含む流体とフィルム１１５の間の静電容量が変化する。その結果、有効ゲート静電容量が変化する。この変化は、半導体フィルム内の電界が変化することによって、半導体フィルム１１５の導電率の変化として検出することができる。例えば標的分子１４５が正味電荷がゼロのタンパク質である場合を考える。この中性の標的タンパク質１４５がプローブ分子１２５に結合すると、プローブ分子１２５に関連した水分子が半導体フィルムの外表面１３０から排除され、その結果、プローブ分子１２５の近傍およびフィルム１１５の隣接領域の比誘電率が変化する。

有機電界効果トランジスタ１００の好ましい実施形態はさらに、チャネル１１０の下の基板１８０と、基板１８０の上のゲート１８５とを含み、ゲート１８５の上には先に述べた絶縁層１４０があり、絶縁層１４０の上には先に述べたソースおよびドレイン１７０、１７５があり、ソースとドレイン１７０、１７５の間にはチャネル１１０が位置する。好ましいある実施形態では、標的分子１４５のプローブ分子１２５への結合／脱結合に関連した能動チャネルの導電率または移動度の変化の感度が、ゲート１８５に印加された電圧によって決まる。しかし、有機電界効果トランジスタ１００は当業者に周知の他の方法で構成することもできる。

動作について説明する。トランジスタのチャネルの上方の部分を、標的分子１４５を含んでいる可能性がある分析物を含む検定溶液１９０に暴露する。検定溶液１９０は例えば、緩衝剤、電解質および標的分子１４５を含んだ水溶液とすることができる。いくつかの実施形態では、ドレイン１７５およびゲート１８５にある電圧を印加し、ソース１７０を大地電位に維持する。他の実施形態では検定溶液１９０にも電圧を印加する。印加電圧は最高約１０ボルトであることが好ましく、最高約２ボルトであるとさらに好ましい。一実施形態では、プローブ分子１２５への標的分子１４５の結合に関連したチャネルの近傍の電界の変化によって、ソースとドレイン１７０、１７５の間の電圧が、少なくとも約０．０１ボルト、好ましくは少なくとも約０．１ボルト変化する。対応するソースとドレイン１７０、１７５の間の電流の変化は例えば、標的分子１４５が存在する場合の電流が標的分子１４５が存在しない場合の電流の約１／１０００から１／１５００になるような変化である。しかし、ソースとドレイン１７０、１７５の間の受け入れられる最小電圧変化は、検出可能な最も小さな電流によって決まることを当業者は理解されたい。電流の変化の検出には、電子ノイズ・フロア、デバイス安定性、平均算出時間など、他の因子が関与する。

図２Ａから２Ｆに、本発明の他の実施形態である、先に説明したトランジスタと同様の標的生物分子検出用の有機電界効果トランジスタ２００の製造方法の選択されたいくつかの工程を示す。トランジスタ２００の類似のフィーチャは、図１で使用した符号と類似の参照符号を使用して示されている。図２Ａに示すように、この方法は、例えばシリコン・ウェーハを含む従来の基板２８０を用意する工程を含む。

図２Ｂに示すように、基板２８０の上にゲート２８５を形成する。適当な導電性ゲート材料には金などの金属、ドープト・ポリチオフェンなどの導電性ポリマーが含まれる。ゲート２８５は、化学蒸着、物理スパッタリング、電子ビーム蒸発プロセスなどの従来の技法によって付着させることができる。あるいは、ゲート２８５の形成に使用する材料は、基板の一部分、例えばホウ素、リンなどの従来のドーパントでドープされたシリコンを含むことができる。これによって基板２８０の一部分が導電性になる。後に詳細に論じるとおり、複数の有機電界効果トランジスタ２００が求められる実施形態では、このゲート材料を後に標準フォトリソグラフィ技法を使用してパターニングしてゲートのアレイを形成する。アレイの個々のゲートは図示されていない。

次いで、図２Ｃに示すように、ゲート２８５の上に絶縁層２４０を付着させる。絶縁層２４０に適した材料には二酸化シリコン、ポリイミドなどの誘電材料が含まれる。絶縁層２４０は、オルトケイ酸テトラエチルを使用した化学蒸着、ドープト・シリコン・ゲート上での熱成長などの従来のプロセスを使用して付着させる。絶縁層２４０は従来どおり、個々のゲートをパターニングするときにパターニングする。

図２Ｄに示すように、絶縁層２４０の上にソースおよびドレイン２７０、２７５を形成する。ソースおよびドレイン２７０、２７５は金属、またはゲート２８５に対して使用したポリマーと同様の導電性ポリマーを含むことができる。ゲート２８５の形成に使用したのと同様のプロセスを使用してソースおよびドレイン材料を付着させ、次いでパターニング技法を使用してソースおよびドレイン領域２７０、２７５を、デバイス２００の１つまたは複数のチャネル領域２１０が収容されるように形成することができる。

図２Ｅに示すように、トランジスタ・チャネル２１０を形成する工程は、有機分子２２０を含む半導体フィルム２１５をソースとドレイン２７０、２７５の間に形成する工程を含む。有機分子２２０を含む半導体フィルム２１５は基板２８０の上、より好ましくは絶縁層２４０の上に形成することが好ましい。有機分子２２０がオリゴマーであるときには、フィルムが真空昇華（ｖａｃｕｕｍ ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ）によって形成されることが好ましい。真空昇華は一般に、当業者に周知の従来の手順を使用して約１×１０^−４から１×１０^−６トルの圧力で実施される。真空昇華が好ましいのは、この手順が比較的に単純であるためである。真空昇華は例えば、スピン・コーティングに適した溶剤によく溶けるように有機分子２２０を官能基化する追加の工程を必要としない。

選択した有機分子２２０が真空昇華になじまず、かつクロロホルム、トルエン、キシレンなどの有機溶剤にわずかにでも溶解する場合には、溶液スピン・コーティング、蒸着、印刷などの従来の代替手順を使用することができる。場合によっては、スピン・コーティングに使用する溶剤中での溶解度を高めるためにポリチオフェンなどの有機分子２２０を官能基化することが望ましい。このような官能基化の一例が、レギオレギュラー（ｒｅｇｉｏ−ｒｅｇｕｌａｒ）なポリ（３−ヘキシルチオフェン）である。

図２Ｆに示すように、チャネル２１０を形成する工程はさらに、半導体フィルム２１５の外表面２３０にプローブ分子２２５を、半導体フィルム２１５の内部にプローブ分子２２５が実質的に含まれないような方法で結合させる工程を含む。プローブ分子２２５とフィルム２１５の有機分子２２０との間の結合は、当業者に周知の従来の任意の方法を使用して実施される。例示的な方法には、Ｋｏｒｒｉ−Ｙｏｕｓｓｏｕｆｉ，Ｈ．，ｅｔ ａｌ．、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１１９：７３８８−８９（１９９７）およびＫａｔｚ，Ｈ．Ｅ．，ｅｔ ａｌ．Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．１０：６３３−３８（１９９８）に記載されている方法が含まれる。

例えば、プローブ分子２２５への結合を容易にするために、有機分子２２０の一端２５５に官能基２６４を取り付けることができる。場合によっては、フィルム２１５の形成中、有機分子２２０に取り付けた官能基２６４を保護することが望ましい。その後、プローブ分子２２５と反応させるために官能基２６４の保護をはずして官能基を露出させる。プローブ分子２２５への官能基２６２の取付け、および官能基間の任意選択のスペーサ基２６６の挿入でも同様の考慮が適用される。

例えば有機分子２２０がセキシチオフェン、プローブ分子２２５がＤＮＡまたはＲＮＡの一本鎖オリゴマーである実施形態を考える。プローブＤＮＡまたはＲＮＡ２２５は、フィルム２１５の有機分子２２０の一端２５５に取り付けられたアミノ官能基２６２をプローブＤＮＡまたはＲＮＡ２２５の酸性基と反応させてアミド結合を形成することによって、フィルム２１５に結合することができる。あるいは、有機分子２２０の一端２５５に取り付けられたチオール官能基２６４をプローブ分子２２５のチオール基と反応させて、プローブ分子２２５をフィルム２１５に結合するジスルフィド結合を形成することもできる。先に指摘したとおり、フィルム２１５の形成中、チオール・エステル（例えばＣＨ_３−ＣＯ−Ｓ−Ｒ。Ｒは、有機分子２２０または先に論じた有機分子２２０に結合したリンカー基２６０である）を生成するアセチル化によってチオール基２６４を保護し、次いで、水酸化アンモニウムに暴露することによって脱保護することができる。

いくつかの実施形態では、プローブ分子２２５と半導体フィルム２１５の結合を、フィルム２１５の有機分子２２０が溶解しない溶剤の中で実施することが好ましい。適当な溶剤の例には水や、エタノール、アセトニトリルなどの有機溶剤が含まれる。このような有機溶剤の使用は、フィルム２３０の外表面にプローブ分子２２５を結合させる反応の最中にフィルム２１５の内部へプローブ分子２２５が拡散するのを防ぐのに役立つ。ある実施形態では、有機分子２２０がセキシチオフェンなどのオリゴマーであることが望ましい。これは、オリゴマーが、ポリチオフェンなどのポリマーに比べてこのような有機溶剤に溶けにくいためである。

先に述べたとおり、チャネル２１０を形成する工程は、半導体フィルム２３０の外表面にプローブ分子２２５を結合する工程を含む。プローブ分子２２５を有機分子２２０に結合する前に有機分子２２０のフィルム２１５を形成することによって、フィルム２１５の内部にプローブ分子２２５が実質的に含まれないことが保証される。プローブ分子２２５は、フィルム２３０の外表面に位置する有機分子２２０に結合させることが好ましい。プローブ分子２２５は、フィルム２３０の外表面に最も近い有機分子の末端に結合させることがより好ましい。好ましいある実施形態では、後に詳細に論じるように、それぞれの関連チャネル２１０に結合した異なるプローブ分子２２５をそれぞれが有する複数のトランジスタ２００を配置し、これによって１枚の基板２８０上に製造された異なる電界効果トランジスタ２００のアレイを形成する。このような実施形態では、インクジェット印刷技術またはマイクロフルイディック（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ）装置を使用して、アレイ中のチャネル２１０の上に異なるプローブ分子２２５を付着させることが望ましい。

図３に、本発明の他の実施形態である標的生物分子検出用のバイオセンサ・システム３００を示す。システム３００は、複数の有機電界効果トランジスタ３２０を含んだバイオセンサ・デバイス３１０を含む。トランジスタ３２０は、半導体フィルムと半導体フィルムの外表面に結合させたプローブ分子と先に示したように含むチャネル３２５を有する。ある実施形態では、トランジスタ３２０が、それぞれのチャネル３２５の中に、異なるタイプの標的分子３３０に結合する能力を有する異なるタイプのプローブ分子を有する。これまでに論じたトランジスタ３２０と標的分子３３０の任意の実施形態をシステム３００に含めることができる。

このシステムはさらに、バイオセンサ・デバイス３１０が試料３３０と接触するように構成された検定システム３４０を含む。バイオセンサのトランジスタにプローブ分子および試料をロードするために、検定システム３４０は、複数の印刷ヘッドを有する手動またはロボット操作の当業者に周知の流体ワークステーションを含むことができる。図３に示すように、検定システム３４０は、トランジスタ３２０に結合されたマイクロフルイディック・ネットワーク３４５を備えるとより好ましい。ネットワーク３４５は、トランジスタのソース、ドレイン３５０、３５５などのトランジスタの残りの構成要素からトランジスタのチャネルを電気的に分離することができる。他の好ましい実施形態では、マイクロフルイディック・ネットワーク３４５が、試料の同時ないし並行分析のためにバイオセンサ・デバイス３１０の離散したトランジスタ３２０に複数の試料を導く管路３６０を有する。このようなネットワークは、ポリジメチルシロキサンなどの弾性シリコンを含むことができ、当業者に周知の手順、例えばその全体が本明細書に組み込まれるＴｈｏｒｓｅｎ ｅｔ ａｌ．、Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９８：５８０−５８４（２００２）に記載されている手順を使用して形成される。
本発明を詳細に説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく本明細書にさまざまな変更、置換えおよび修正を実施することができることを当業者は理解されたい。

本発明の有機電界効果トランジスタの詳細断面図である。 さまざまな製造段階における本発明の有機電界効果トランジスタの断面図である。 さまざまな製造段階における本発明の有機電界効果トランジスタの断面図である。 さまざまな製造段階における本発明の有機電界効果トランジスタの断面図である。 さまざまな製造段階における本発明の有機電界効果トランジスタの断面図である。 さまざまな製造段階における本発明の有機電界効果トランジスタの断面図である。 さまざまな製造段階における本発明の有機電界効果トランジスタの断面図である。 本発明のバイオセンサ・システムの詳細断面図である。

Claims (10)

1. 標的生物分子検出用の有機電界効果トランジスタであって、
   有機分子を含む半導体フィルムと、前記半導体フィルムの外表面に結合したプローブ分子とを有するトランジスタ・チャネルを備え、前記フィルムがその内部に前記プローブ分子を実質的に含まない
   トランジスタ。
2. 前記有機分子が共役π結合を有する、請求項１に記載のトランジスタ。
3. 前記半導体フィルムが前記有機分子の単分子層を含み、前記有機分子の一端が、前記半導体フィルムの下に位置するゲート誘電体に結合されている、請求項１に記載のトランジスタ。
4. 前記半導体フィルムがさらに、前記有機分子の前記外表面に結合し、かつ前記プローブ分子の１つに結合したリンカー分子を含む、請求項１に記載のトランジスタ。
5. 前記トランジスタ・チャネルが能動チャネルであり、前記プローブ分子が標的分子に結合する能力を有し、前記プローブ分子が前記外表面に化学結合している、請求項１に記載のトランジスタ。
6. 標的生物分子検出用の有機電界効果トランジスタの製造方法であって、
   トランジスタ・チャネルを形成する工程
   を含み、この工程が、
   有機分子を含む半導体フィルムをソースとドレインの間に形成する工程と、
   前記半導体フィルムの外表面にプローブ分子を結合させる工程と
   を含み、
   前記半導体フィルムがその内部に前記プローブ分子を実質的に含まない
   方法。
7. 前記有機分子がさらに、前記結合を容易にする能力を有する官能基を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記フィルムの前記外表面に最も近い前記有機分子の末端に前記プローブ分子を結合させる、請求項６に記載の方法。
9. 前記プローブ分子に標的分子を結合させると前記チャネルの導電率または移動度が変化する、請求項６に記載の方法。
10. 標的生物分子検出用のバイオセンサ・システムであって、
    バイオセンサ・デバイス
    を備え、前記バイオセンサ・デバイスが、
    それぞれがチャネルを含む１つまたは複数の有機電界効果トランジスタ
    を含み、前記チャネルが、
    有機分子を含む半導体フィルムと、
    標的分子に結合する能力を有し、前記半導体フィルムの外表面に結合したプローブ分子と
    を備え、前記半導体フィルムがその内部に前記プローブ分子を実質的に含まず、
    バイオセンサ・システムがさらに、
    前記標的分子を保持する能力を有する試料と、
    前記バイオセンサ・デバイスが前記試料と接触するように構成された検定システムと
    を備えたバイオセンサ・システム。
    

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