JP2005201795A - Ｄｎａ分析デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 ＤＮＡの構造解明を短時間に行うことのできるＤＮＡ分析デバイスを提供すること。
【解決手段】 ＤＮＡ分析デバイス１は、固体撮像デバイス３を具備する。固体撮像デバイス３は透明基板１７を具備し、その透明基板１７上に画素としてのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…がマトリクス状に配列さている。この固体撮像デバイス３の受光面のうち分析領域５０内には、既知の塩基配列を有したプローブＤＮＡ断片からなるスポット６０，６０，…がマトリクス状に点在してる。固体撮像デバイス３の受光面のうち情報担持領域５１内には、光透過性変調部６５，６５，…が点在している。光透過性変調部６５が各ダブルゲートトランジスタ２０ごとに被覆しているか否かによって、所定情報がビット化した状態で情報担持領域５１内に担持されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＤＮＡの構造を特定するために用いられるＤＮＡ分析デバイスに関する。

近年、医療分野、農業分野等の幅広い分野で生物の遺伝子情報が利用されるようになってきているが、遺伝子の利用に際しては、ＤＮＡの構造解明が不可欠である。ＤＮＡは螺旋状によじれあった２本のポリヌクレオチド鎖を有し、それぞれのポリヌクレオチド鎖は４種の塩基（アデニン：Ａ、グアニン：Ｇ、シトシン：Ｃ、チミン：Ｔ）が一次元的に並んだ塩基配列を有し、アデニンとチミン、グアニンとシトシンという相補性に基づいて一方のポリヌクレオチド鎖の塩基が他方のポリヌクレオチド鎖の塩基に結合している。

ＤＮＡの構造解明とは、塩基配列を特定することであり、ＤＮＡの塩基配列を特定するためにＤＮＡマイクロアレイ及びその読取装置が開発されている。ＤＮＡマイクロアレイ及びその読取装置を用いて次のようにしてサンプルＤＮＡの塩基配列を特定する。

まず、既知の塩基配列を有した複数種類のプローブＤＮＡ断片をスライドガラス等の固体担体に整列固定させたＤＮＡマイクロアレイを準備する。次に、サンプルＤＮＡを一本鎖のＤＮＡ断片に変性して、変性したサンプルＤＮＡ断片に蛍光物質等を結合させる。

次に、サンプルＤＮＡ断片を一本鎖ＤＮＡマイクロアレイ上に添加すると、サンプルＤＮＡ断片は、ハイブリダイゼーションによってＤＮＡマイクロアレイ上に固定される。つまり、サンプルＤＮＡ断片の塩基は、複数種類のプローブＤＮＡ断片のうち相補性を有するＤＮＡ断片の塩基と水素結合して、二本鎖が生じる。一方、サンプルＤＮＡ断片は、相補性を有しないプローブＤＮＡ断片とは結合しない。サンプルＤＮＡ断片に蛍光物質でマーキングを施しているため、サンプルＤＮＡ断片と結合したプローブＤＮＡ断片が蛍光を発することになる。例えば、ＴＣＧＧＧＡＡと塩基配列を有するサンプルＤＮＡ断片は、ＡＧＣＣＣＴＴという塩基配列を有するプローブＤＮＡ断片のみと結合し、そのプローブＤＮＡ断片が蛍光を発する。

次いで、ＤＮＡマイクロアレイを読取装置にセッティングして、読取装置にて分析する。読取装置は、ＤＮＡマイクロアレイ上の蛍光強度分布を計測するものである。読取装置によってＤＮＡマイクロアレイ上の蛍光強度分布が二次元の画像として出力される。出力された画像内で蛍光強度が大きい部分には、サンプルＤＮＡ断片の塩基配列と相補的な塩基配列を有したプローブＤＮＡ断片が含まれていることを表している。従って、二次元画像中のどの部分の蛍光強度が大きいかによってサンプルＤＮＡ断片の塩基配列を確定することができる。

以上のようなＤＮＡマイクロアレイを識別するために、ＤＮＡマイクロアレイにバーコードを付すことがあり、ＤＮＡマイクロアレイといった反応器にバーコードを付す技術は例えば特許文献１に記載されている。
特開平９−２２４６４４号公報

しかしながら、ＤＮＡマイクロアレイにバーコードを付した場合、バーコードリーダによってバーコードを読み取ることによりＤＮＡマイクロアレイの識別を行い、その後読取装置にて分析するので、バーコードの読取工程と、分析工程とを別々に行う必要があり、ＤＮＡの構造解明には多くの時間を要してしまった。またＤＮＡマイクロアレイの識別のために、バーコード読み取り手段を別途用いなければならなかったため、分析手段とバーコード読み取り手段は別体であるためにコストが高くなってしまうといったデメリットがあった。

そこで、本発明は、上記のような問題点を解決しようとしてなされたものであり、ＤＮＡの構造解明を短時間に行うことのできるＤＮＡ分析デバイスを提供することを目的とする。
また本発明は、ＤＮＡの分析手段と識別手段とが同一構造であるＤＮＡ分析デバイスを提供することを目的とする。

一の課題を解決するために、請求項１に記載のＤＮＡ分析デバイスは、
固体撮像デバイスと、
既知の塩基配列を有したプローブＤＮＡ断片からなり、前記固体撮像デバイスの受光面のうちの分析領域内に点在した複数種のスポットと、
前記固体撮像デバイスの受光面のうちの情報担持領域内に所定情報に応じて所定の位置に配置された複数の光透過性変調部と、を備えることを特徴とする。

好ましくは、前記固体撮像デバイスの受光面のうちの分析領域内に励起光透過性変調層が形成され、前記複数種のスポットが前記励起光透過性変調層上に点在している。
好ましくは、前記所定情報は、識別するための識別情報、製造時期情報、製造場所情報、ＤＮＡの抽出元の動植物の種類情報、その動植物の個体の特定情報、分析目的情報、分析有効期限情報の少なくともいずれかである。

以上のＤＮＡ分析デバイスを用いる際には、まず蛍光標識されたサンプルＤＮＡ断片を分析領域に塗布すると、サンプルＤＮＡ断片が相補性を有するプローブＤＮＡ断片からなるスポットに結合し、相補性を有しないプローブＤＮＡ断片からなるスポットには結合しない。その後、励起光等の光を固体撮像デバイスの受光面に向けて発すると、サンプルＤＮＡ断片と結合したスポットは蛍光標識により蛍光を発し、サンプルＤＮＡ断片と結合していないスポットは蛍光を発しない。そのため、固体撮像デバイスで撮像を行えば、分析領域の蛍光強度分布を測定することができ、蛍光強度分布からサンプルＤＮＡ断片の塩基配列を同定することができる。一方、励起光等の光を固体撮像デバイスの受光面の上から受光面に向けて発すると、情報担持領域内の複数の画素のうち光透過性変調部によって被覆された画素は励起光を検知しないが、光透過性変調部によって被覆されていない画素は励起光を検知する。従って、固体撮像デバイスで撮像を行えば、情報担持領域に担持された所定情報を読み取ることができる。このように、固体撮像デバイスで撮像を行うだけで、サンプルＤＮＡ断片の分析工程と所定情報の読取工程とを同時に行うことができる。

また本発明の他のＤＮＡ分析デバイスは、
遮光性を有するボトムゲート電極、光に感度を示す半導体膜、光を透過するトップゲート電極の順に透明基板の表面上に積層してなる複数の光電変換素子が前記透明基板の表面上に互いに離間して配列され、光を透過する保護層によって前記複数の光電変換素子をまとめて被覆してなる固体撮像デバイスと、
既知の塩基配列を有したプローブＤＮＡ断片からなり、前記保護層の表面のうち一部の領域内に点在した複数種のスポットと、
前記保護層の表面のうち別の領域内に点在した複数の光反射部と、を備え、
前記光反射部が前記固体撮像デバイスの各光電変換素子ごとに被覆しているか否かによって所定情報がビット化した状態で前記別の領域内に担持されていることを特徴とする。

以上のＤＮＡ分析デバイスを用いる際には、まず蛍光標識されたサンプルＤＮＡ断片を一部の領域に塗布すると、サンプルＤＮＡ断片が相補性を有するプローブＤＮＡ断片からなるスポットに結合し、相補性を有しないプローブＤＮＡ断片からなるスポットには結合しない。そして、ボトムゲート電極、半導体膜、トップゲート電極の順に積層してなる複数の光電変換素子が透明基板の表面上に互いに離間して配列されているため、固体撮像デバイスの裏面から透明基板に向けて励起光等の光を発すると、光は光電変換素子の間を透過して、スポットに入射する。サンプルＤＮＡ断片と結合したスポットは蛍光標識により蛍光を発し、サンプルＤＮＡ断片と結合していないスポットは蛍光を発せず、スポットから発した蛍光は保護層及びトップゲート電極を透過して半導体膜に入射する。そのため、固体撮像デバイスで撮像を行えば、一部の領域の蛍光強度分布を測定することができ、蛍光強度分布からサンプルＤＮＡ断片の塩基配列を同定することができる。一方、別の領域内の複数の光電変換素子のうち光反射部によって被覆された光電変換素子は光反射部で反射した励起光を検知するが、光反射部によって被覆されていない光電変換素子は励起光を検知しない。従って、固体撮像デバイスで撮像を行えば、別の領域に担持された所定情報を読み取ることができる。このように、固体撮像デバイスで撮像を行うだけで、サンプルＤＮＡ断片の分析工程と所定情報の読取工程とを同時に行うことができる。

他の課題を解決するために、本発明のＤＮＡ分析デバイスは、
既知の塩基配列を有したプローブＤＮＡ断片からなり、分析領域内に点在した複数種のスポットと、
情報担持領域内に所定情報に応じて所定の位置に配置された複数の光透過性変調部と、
前記分析領域内に配置された第一固体撮像デバイスと、
前記情報担持領域内に配置され、前記第一固体撮像デバイスと同一構造の第二固体撮像デバイスと、
を備えることを特徴とする。
第一固体撮像デバイス及び第二固体撮像デバイスが同一構造なので同一プロセスで製造できる。

本発明によれば、サンプルＤＮＡ断片の分析工程と所定情報の読取工程とを同時に行うことができるので、ＤＮＡの構造解明を短時間に行うことのできる。
また本発明によれば、分析手段と識別手段を同一プロセスで製造できるのでコストを抑制することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１は、本発明を適用した実施形態におけるＤＮＡ分析デバイス１の平面図であり、図２は、ＤＮＡ分析デバイス１を駆動する周辺回路とともにＤＮＡ分析デバイス１を示した等価回路図である。

このＤＮＡ分析デバイス１は、分析領域５０と情報担持領域５１に略二分され、画素としての光電変換素子を受光面に沿ってマトリクス状に配列してなる固体撮像デバイス３と、固体撮像デバイス３の受光面のうち分析領域５０内においてマトリクス状に点在したスポット６０，６０，…と、固体撮像デバイス３の受光面のうち情報担持領域５１内において点在した光透過性変調部６５，６５，…と、を備える。ここで、情報担持領域５１内においては、光透過性変調部６５が各光電変換素子ごとに被覆しているか否かによって所定情報がビット化した状態で担持されている。

図１においては図面を理解しやすいように１つのスポット６０だけに符号を付しているが、分析領域５０内にある円形状がスポット６０である。また、図１において、１つの光透過性変調部６５だけに符号を付しているが、情報担持領域５１内にある網掛けした四角形状が光透過性変調部６５であり、網掛けしていない白抜きの四角形状が光透過性変調部６５の形成されていない光電変換素子を表す。

図２〜図６を用いて固体撮像デバイス３について詳細に説明する。ここで、図３は、固体撮像デバイス３の光電変換素子の電極構造を示した平面図であり、図４は、分析領域５０内の光電変換素子の断面図であり、図４は、情報担持領域５１内において光透過性変調部６５によって覆われた光電変換素子の断面図であり、図５は、情報担持領域５１内において光透過性変調部６５によって覆われていない光電変換素子の断面図である。

図２〜６に示すように、固体撮像デバイス３においては、光電変換素子としてダブルゲート型電界効果トランジスタ（以下、ダブルゲートトランジスタという。）２０が利用されている。この固体撮像デバイス３は略平板状の透明基板１７を備え、この透明基板１７上に複数のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…がマトリクス状に配列され、これらダブルゲートトランジスタ２０，２０，…は保護絶縁層３１によってまとめて被覆されている。

透明基板１７は、光を透過する性質（以下、光透過性という。）を有するとともに絶縁性を有し、石英ガラス等といったガラス基板又はポリカーボネート、ＰＭＭＡ等といったプラスチック基板である。

ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…はそれぞれ、透明基板１７上に形成されたボトムゲート電極２１と、ボトムゲート電極２１上に形成されたボトムゲート絶縁膜２２と、ボトムゲート電極２１に対向するとともにボトムゲート絶縁膜２２をボトムゲート電極２１と挟む真性な半導体膜２３と、半導体膜２３の中央部上に形成されたチャネル保護膜２４と、半導体膜２３の両端部上に互いに離間して形成された不純物半導体膜２５，２６と、不純物半導体膜２５上に形成されたソース電極２７と、不純物半導体膜２６上に形成されたドレイン電極２８と、ソース電極２７及びドレイン電極２８上に形成されたトップゲート絶縁膜２９と、半導体膜２３に対向するとともにトップゲート絶縁膜２９及びチャネル保護膜２４を半導体膜２３と挟むトップゲート電極３０と、を具備する。

ボトムゲート電極２１は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに透明基板１７上に形成されている。また、透明基板１７上には横方向に延在する複数本のボトムゲートライン４１，４１，…が形成されており、横方向に配列された同一の行のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれのボトムゲート電極２１は共通のボトムゲートライン４１と一体となって形成されている。ボトムゲート電極２１及びボトムゲートライン４１は、導電性及び遮光性を有し、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。

ボトムゲート絶縁膜２２は、全てのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…に共通して形成されており、ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のボトムゲート電極２１及びボトムゲートライン４１，４１，…をまとめて被覆している。ボトムゲート絶縁膜２２は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）又は酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる。

ボトムゲート絶縁膜２２上には、半導体膜２３がダブルゲートトランジスタ２０ごとに形成されている。半導体膜２３は、平面視して略矩形状を呈しており、受光した光量に応じた量の電子−正孔対を生成するアモルファスシリコン又はポリシリコンで形成された層である。半導体膜２３上には、チャネル保護膜２４が形成されている。チャネル保護膜２４は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。チャネル保護膜２４は、パターニングに用いられるエッチャントから半導体膜２３の界面を保護するものである。半導体膜２３に光が入射すると、入射した光量に従った量の電子−正孔対がチャネル保護膜２４と半導体膜２３との界面付近を中心に発生するようになっている。この場合、半導体膜２３側にはキャリアとして正孔が発生し、チャネル保護膜２４側には電子が発生する。

半導体膜２３の一端部上には、不純物半導体膜２５が一部チャネル保護膜２４に重なるようにして形成されており、半導体膜２３の他端部上には、不純物半導体膜２６が一部チャネル保護膜２４に重なるようにして形成されている。不純物半導体膜２５，２６は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとにパターニングされている。不純物半導体膜２５，２６は、ｎ型の不純物イオンを含むアモルファスシリコン（ｎ⁺シリコン）からなる。

不純物半導体膜２５上には、ダブルゲートトランジスタ２０ごとにパターニングされたソース電極２７が形成されている。不純物半導体膜２６上には、ダブルゲートトランジスタ２０ごとにパターニングされたドレイン電極２８が形成されている。また、縦方向に延在する複数本のソースライン４２，４２，…及びドレインライン４３，４３，…がボトムゲート絶縁膜２２上に形成されている。縦方向に配列された同一の列のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれのソース電極２７は共通のソースライン４２と一体に形成されており、縦方向に配列された同一の列のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれのドレイン電極２８は共通のドレインライン４３と一体に形成されている。ソース電極２７、ドレイン電極２８、ソースライン４２及びドレインライン４３は、導電性及び遮光性を有しており、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。

トップゲート絶縁膜２９は、全てのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…に共通して形成されており、ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のチャネル保護膜２４、ソース電極２７及びドレイン電極２８並びにソースライン４２，４２，…及びドレインライン４３，４３，…をまとめて被覆している。トップゲート絶縁膜２９は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。

トップゲート絶縁膜２９上には、ダブルゲートトランジスタ２０ごとにパターニングされたトップゲート電極３０が形成されている。また、トップゲート絶縁膜２９上には横方向に延在する複数本のトップゲートライン４４，４４，…が形成されており、横方向に配列された同一の行のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれのトップゲート電極３０は共通のトップゲートライン４４と一体に形成されている。トップゲート電極３０及びトップゲートライン４４は、導電性及び光透過性を有し、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物（例えば、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、亜鉛ドープ酸化インジウム）で形成されている。

保護絶縁層３１は、ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のトップゲート電極３０及びトップゲートライン４４，４４，…をまとめて被覆している。保護絶縁層３１は、絶縁性及び光透過性を有し、窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。

以上のように構成された固体撮像デバイス３は、保護絶縁層３１の表面を受光面としており、それぞれのダブルゲートトランジスタ２０は半導体膜２３において受光した光量を電気信号に変換するように設けられている。

固体撮像デバイス３の受光面のうち分析領域５０内では、励起光透過性変調層３４が保護絶縁層３１上に形成されている。励起光透過性変調層３４は例えば紫外線のような後述する蛍光標識を励起する励起光を遮蔽または励起光の強度を著しく低減する性質を有し、可視光を透過する性質を有する。励起光透過性変調層３４としては、ＴｉＯ₂が好適である。また励起光透過性変調層３４は、情報担持領域５１内では成膜されていない。

また、分析領域５０内では、導電体層３２が励起光透過性変調層３４上に形成されている。導電体層３２は、導電性及び光透過性を有し、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも１つを含む混合物で形成されている。導電体層３２は、情報担持領域５１内では成膜されていない。

導電体層３２上には、光透過性を有したオーバーコート層３３が形成されている。このオーバーコート層３３は、導電体層３２を保護したり、スポット６０，６０，…を固体撮像デバイス３の受光面に固定したりするものである。オーバーコート層３３は、情報担持領域５１内では成膜されていない。

次に、スポット６０について説明する。図１に示すように、複数種のスポット６０，６０，…が互いに離間して、マトリクス状となってオーバーコート層３３上に配列されている。図４に示すように、１つのスポット６０は一本鎖プローブＤＮＡ断片６１が多数集まった群集であり、１つのスポット６０に含まれる多数の一本鎖プローブＤＮＡ断片６１は同じ塩基配列（ヌクレオチド配列）を有する。また、スポット６０ごとに一本鎖プローブＤＮＡ断片６１の塩基配列が異なる配列となっている。何れのスポット６０も、塩基配列が既知のものである。

１つのスポット６０につき１つのダブルゲートトランジスタ２０が重なるように、スポット６０，６０，…が配列されている。

なお、１つのスポット６０につき隣り合う幾つかのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…が重なっても良いが、この場合には何れのスポット６０でも重なったダブルゲートトランジスタ２０の数が同じである。

スポット６０，６０，…を固体撮像デバイス３の受光面に固定する方法としては、予め調製したプローブＤＮＡ断片を、ポリ陽イオン（ポリ−Ｌ−リシン、ポリエチレンイミン等）で表面処理したオーバーコート層３３に分注装置を用いて点着して、ＤＮＡの荷電を利用して固体撮像デバイス３の表面に静電結合させる方法が適用される。
その他の固定方法として、アミノ基、アルデヒド基、エポキシ基等を有するシランカップリング剤を用いる方法も利用されている。この場合には、アミノ基、アルデヒド基等は、共有結合によりオーバーコート層３３に導入されるため、ポリ陽イオンによる場合と比較して安定にオーバーコート層３３に存在する。
その他の固定方法として、反応活性基を導入したオリゴヌクレオチドを合成し、表面処理したオーバーコート層３３に該オリゴヌクレオチドを点着し、共有結合させる方法もある。
なお、スポット６０，６０，…を導電体層３２に固定する際に、導電体層３２に正電界を発生すると、プローブＤＮＡ断片６１の負極性の末端基が誘引されてオーバーコート層３３に静電結合することができるので、スポット６０，６０，…の固定が容易になる。

次に、光透過性変調部６５について説明する。図１に示すように、光透過性変調部６５，６５，…は、スポット６０，６０，…等に関する所定の情報に応じて固体撮像デバイス３の受光面のうち情報担持領域５１内の所定の位置に配置されている。情報担持領域５１内にあるダブルゲートトランジスタ２０，２０，…の中には、図５に示すように光透過性変調部６５によって被覆されたダブルゲートトランジスタ２０と、図６に示すように光透過性変調部６５によって被覆されていないダブルゲートトランジスタ２０とがある。光透過性変調部６５は、少なくとも励起光を遮蔽または強度を著しく低減する性質を有し、更に望ましくは可視光を遮蔽する性質も有すると良い。例えば、光透過性変調部６５がクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる場合には、光透過性変調部６５は励起光とともに可視光を遮蔽する性質を有する。光透過性変調部６５がＴｉＯ₂からなる場合には、光透過性変調部６５は励起光透過性変調性を有するが可視光透過性を有する。そして光透過性変調部６５は、後述する励起光照射機構７３から照射される励起光を含む光電変換素子を励起するあらゆる波長域の光が光透過性変調部６５の直下に位置する光電変換素子に入射されない程度の面積を有している。

光透過性変調部６５，６５，…を固体撮像デバイス３の受光面に固定するには、少なくとも励起光を遮蔽するのようなＴｉＯ₂等を含む材料を固体撮像デバイス３の受光面に分注装置を用いて点着して形成すれば良い。この時、スポット６０，６０，…を点着するのと同じ分注装置で同時に行うと、スポット６０，６０，…及び光透過性変調部６５，６５，…の固定を短時間に行える。

以上のように、光透過性変調部６５が各ダブルゲートトランジスタ２０ごとに被覆しているか否かによって所定情報がビット化した状態で情報担持領域５１内に担持されている。ここで、固体撮像デバイス３の受光面の上から受光面に向かって励起光を照射すると、光透過性変調部６５，６５，…によって光が遮蔽されるので、情報担持領域５１内にあるダブルゲートトランジスタ２０，２０，…の中には、光を検知したダブルゲートトランジスタ２０と光を検知しないダブルゲートトランジスタ２０とが存在する。これにより、情報担持領域５１内に担持された所定情報がビット化した状態で読み取られる。なお、情報担持領域５１内に担持された所定情報としては、ＤＮＡ分析デバイス１を他のデバイスと識別するための識別情報があるが、その他にも、ＤＮＡ分析デバイス１の製造時期、製造場所、ＤＮＡの抽出元の動植物の種類、その動植物の個体の特定、分析目的、分析有効期限等の少なくともいずれかに関する情報が担持されても良い。

次に、以上のように構成されたＤＮＡ分析デバイス１を用いたＤＮＡ読取装置について、図２及び図７を用いて説明する。ここで、ＤＮＡ分析デバイス１はＤＮＡ読取装置に対して着脱可能に設けられており、図７はＤＮＡ分析デバイス１をＤＮＡ読取装置に装着した場合の側面図を示す。

図２及び図７に示すように、このＤＮＡ読取装置は、表示装置７１と、全体の制御を司る演算処理装置７２と、固体撮像デバイス３の受光面上から受光面に向けて励起光を照射する励起光照射機構７３と、固体撮像デバイス３を駆動して画像を取得するための駆動装置（トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５、ドレインドライバ７６及び駆動回路７７から構成される。）と、を備える。

また、ＤＮＡ分析デバイス１がＤＮＡ読取装置に装着された場合、固体撮像デバイス３のトップゲートライン４４，４４，…がトップゲートドライバ７４の端子にそれぞれ接続されるようになっている。同様に、固体撮像デバイス３のボトムゲートライン４１，４１，…がボトムゲートドライバ７５の端子にそれぞれ接続されるようになっており、固体撮像デバイス３のドレインライン４３，４３，…がドレインドライバ７６の端子にそれぞれ接続されるようになっている。また、ＤＮＡ分析デバイス１がＤＮＡ読取装置に装着された場合、固体撮像デバイス３のソースライン４２，４２，…が一定電圧源に接続され、この例ではソースライン４２，４２，…が接地されるようになっている。

トップゲートドライバ７４は、シフトレジスタである。つまり、トップゲートドライバ７４は、駆動回路７７から制御信号Ｔｃｎｔを入力することによって、トップゲートライン４４，４４，…にリセットパルス（図８に図示）を順次出力するようになっている。リセットパルスのレベルは＋５〔Ｖ〕のハイレベルである。一方、トップゲートドライバ７４は、リセットパルスを出力しない時にローレベルの−２０〔Ｖ〕の電位をそれぞれのトップゲートライン４４に印加するようになっている。

ボトムゲートドライバ７５は、シフトレジスタである。つまり、ボトムゲートライン４１，４１，…にリードパルス（図８に図示）を順次出力するようになっている。リードパルスのレベルは＋１０〔Ｖ〕のハイレベルであり、リードパルスが出力されていない時のレベルは±０〔Ｖ〕のローレベルである。

トップゲートドライバ７４が任意の行（ｉ行目）のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力した後にキャリア蓄積期間を経てボトムゲートドライバ７５が同じ行のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力するように、トップゲートドライバ７４及びボトムゲートドライバ７５は出力信号をシフトするようになっている。つまり、各行では、リードパルスが出力されるタイミングは、リセットパルスが出力されるタイミングより遅れている。また、任意の行のトップゲートライン４４へのリセットパルスの入力が開始してから、同じ行のボトムゲートライン４１へのリードパルスの入力が終了するまでの期間は、その行の選択期間である。リセットパルスのレベルは＋５〔Ｖ〕のハイレベルであり、リセットパルスが出力されていない時のレベルは−２０〔Ｖ〕のローレベルである。

ドレインドライバ７６は、それぞれの行の選択期間において、リセットパルスが出力されてからリードパルスが出力されるまでの間に、全てのドレインライン４３，４３，…にプリチャージパルス（図８に図示）を出力するようになっている。プリチャージパルスのレベルは＋１０〔Ｖ〕のハイレベルであり、プリチャージパルスが出力されていない時のレベルは±０〔Ｖ〕のローレベルである。また、ドレインドライバ７６は、プリチャージパルスの出力後にドレインライン４３，４３，…の電圧を増幅して、駆動回路７７に出力するようになっている。

駆動回路７７は、演算処理装置７２によって駆動されることによって、ボトムゲートドライバ７５、トップゲートドライバ７４、ドレインドライバ７６に制御信号Ｂｃｎｔ、Ｔｃｎｔ、Ｄｃｎｔをそれぞれ出力することでボトムゲートドライバ７５、トップゲートドライバ７４、ドレインドライバ７６に適宜パルスを出力させるようになっている。更に、駆動回路７７は、リードパルスが出力されてから所定時間経過後のドレインライン４３，４３，…の電圧を検出することによって、又はリードパルスが出力されてからドレインライン４３，４３，…の電圧が所定閾値電圧に至るまでの時間を検出することによって、画像を取得し、その画像を演算処理装置７２に出力するようになっている。演算処理装置７２は、駆動回路７７から入力した画像のうち分析領域５０内の像を表示装置７１に表示させるようになっている。また、演算処理装置７２は、駆動回路７７から入力した画像のうち情報担持領域５１内の像の各画素を２ビット化して所定情報を読み取るようになっている。

ＤＮＡ分析デバイス１及びＤＮＡ読取装置を用いたＤＮＡの分析方法（同定方法）について説明する。
まず、作業者が検体からＤＮＡを採取して、採取したＤＮＡを一本鎖ＤＮＡ断片に変性し、ＤＮＡ断片に蛍光物質又は光共鳴散乱物質を結合させ、ＤＮＡ断片を蛍光物質又は光共鳴散乱物質で標識する。蛍光物質又は光共鳴散乱物質は、ＤＮＡ読取装置の励起光照射機構７３から出射される励起光で励起されるものを選択するが、蛍光物質としては、例えばＣｙＤｙｅのＣｙ２（アマシャム社製）がある。得られたＤＮＡ断片は、溶液中に含まれている。以下では、このＤＮＡ断片をサンプルＤＮＡ断片という。

次いで、作業者が、サンプルＤＮＡ断片を含有した溶液を、ＤＮＡが変性する程度に加熱されたＤＮＡ分析デバイス１の分析領域５０の表面に塗布する。サンプルＤＮＡ断片は、電気泳動等によってムラなく分析領域５０の表面に分布するようにしてもよい。この後、ＤＮＡ分析デバイス１をハイブリダイゼーションが引き起こる程度に冷却する。サンプルＤＮＡ断片は、スポット６０，６０，…のうちで相補性を有するプローブＤＮＡ断片６１のものがあれば、そのスポット６０でプローブＤＮＡ断片６１と結合し、スポット６０，６０，…のうちで相補性を有しないプローブＤＮＡ断片６１しかないものであれば、そのスポット６０のプローブＤＮＡ断片６１とは結合しない。ＤＮＡ分析デバイス１に塗布したサンプルＤＮＡ断片のうちハイブリダイゼーションしなかったものは洗い流す。

次いで、作業者がＤＮＡ分析デバイス１をＤＮＡ読取装置にセッティングすると、トップゲートライン４４，４４，…がトップゲートドライバ７４の端子にそれぞれ接続され、ボトムゲートライン４１，４１，…がボトムゲートドライバ７５の端子に接続され、ドレインライン４３，４３，…がドレインドライバ７６の端子にそれぞれ接続される。

次に、演算処理装置７２が励起光照射機構７３を制御して励起光照射機構７３を点灯させると、励起光照射機構７３が励起光を固体撮像デバイス３の受光面に向けて照射する。

これによって、分析領域５０内において、スポット６０，６０，…のうちサンプルＤＮＡ断片とハイブリダイゼーションしたスポット６０では、サンプルＤＮＡ断片に付着した蛍光体から蛍光（主に可視光）が発し、サンプルＤＮＡ断片と結合しなかったスポット６０では蛍光が発しない。そのため、サンプルＤＮＡ断片と結合したスポット６０に対応したダブルゲートトランジスタ２０には高強度の蛍光が入射し、サンプルＤＮＡ断片と結合していないスポット６０に対応したダブルゲートトランジスタ２０には殆ど蛍光が入射しない。固体撮像デバイス３の受光面にスポット６０，６０，…が固定されているため、サンプルＤＮＡ断片と結合したスポット６０から発した蛍光はあまり減衰せずに、そのスポット６０に対応したダブルゲートトランジスタ２０に入射して電子−正孔対を発生させる。従って、ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…の感度が低くても、十分に強度を検知することができる。

一方、情報担持領域５１内においては、光透過性変調部６５によって被覆されたダブルゲートトランジスタ２０の半導体膜２３には励起光が入射しないが、光透過性変調部６５によって被覆されていないダブルゲートトランジスタ２０の半導体膜２３には励起光が入射する。

そして、演算処理装置７２が駆動装置（トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５、ドレインドライバ７６及び駆動回路７７）を制御することにより、駆動装置が固体撮像デバイス３を駆動することによって、固体撮像デバイス３がダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれで光強度又は光量を検知し、受光面に沿った光強度分布を二次元の画像データとして取得する。

駆動装置による画像取得動作は以下のようになる。
即ち、駆動回路７７がトップゲートドライバ７４に制御信号Ｔｃｎｔを出力し、トップゲートドライバ７４が１行目のトップゲートライン４４から６行目のトップゲートライン４４へと順次リセットパルスを出力する。また、駆動回路７７がボトムゲートドライバ７５に制御信号Ｂｃｎｔを出力し、ボトムゲートドライバ７５がボトムゲートライン４１，４１，４１，…に順次リードパルスを出力する。また、駆動回路７７が制御信号Ｄｃｎｔをドレインドライバ７６に出力し、ドレインドライバ７６が各行でリセットパルスが出力されているリセット期間と各行でリードパルスが出力されている期間との間に、プリチャージパルスを全てのドレインライン４３，４３，…に出力する。

任意の行（ｉ行目）の各ダブルゲートトランジスタ２０の動作について詳細に説明する。図８に示すように、トップゲートドライバ７４がｉ行目のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力すると、ｉ行目のトップゲートライン４４がハイレベルになる。ｉ行目のトップゲートライン４４がハイレベルになっている間（この期間をリセット期間という。）、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０では、半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積されたキャリア（ここでは、正孔である。）が、トップゲート電極３０の電圧により反発して吐出される。

次に、トップゲートドライバ７４がｉ行目のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力することを終了する。ｉ行目のトップゲートライン４４のリセットパルスが終了してから、ｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスが出力されるまでの間（この期間をキャリア蓄積期間という。）、光量に従った量の電子−正孔対が半導体膜２３内で生成され、そのうちの正孔がトップゲート電極３０の電界により半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積される。

次に、キャリア蓄積期間中に、ドレインドライバ７６が全てのドレインライン４３，４３，…にプリチャージパルスを出力する。プリチャージパルスが出力されている間（プリチャージ期間という。）では、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０においては、トップゲート電極３０に印加されている電位が−２０〔Ｖ〕であり、ボトムゲート電極２１に印加されている電位が±０〔Ｖ〕であるため、たとえ半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積された正孔の電荷だけではゲート−ソース間電位が低いので半導体膜２３にはチャネルが形成されず、ドレイン電極２８とソース電極２７との間に電流は流れない。プリチャージ期間において、ドレイン電極２８とソース電極２７との間に電流が流れないため、ドレインライン４３，４３，…に出力されたプリチャージパルスによってｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０のドレイン電極２８に電荷がチャージされる。

次に、ドレインドライバ７６がプリチャージパルスの出力を終了するとともに、ボトムゲートドライバ７５がｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力する。ボトムゲートドライバ７５がｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力している間（この期間を、リード期間という。）では、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０のボトムゲート電極２１に＋１０〔Ｖ〕の電位が印加されているため、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０がオン状態になる。

リード期間においては、キャリア蓄積期間において蓄積されたキャリアがトップゲート電極３０とボトムゲート電極２１との間の電圧を緩和するように働くため、ボトムゲート電極２１とトップゲート電極３０との間の電圧により半導体膜２３にチャネルが形成されて、ドレイン電極２８からソース電極２７に電流が流れるようになる。従って、リード期間では、ドレインライン４３，４３，…の電圧は、ドレイン−ソース間電流によって時間の経過とともに徐々に低下する傾向を示す。

ここで、キャリア蓄積期間において半導体膜２３に入射した光量が多くなるにつれて、蓄積されるキャリアも多くなり、蓄積されるキャリアが多くなるにつれて、リード期間においてドレイン電極２８からソース電極２７に流れる電流のレベルも大きくなる。従って、リード期間におけるドレインライン４３，４３，…の電圧の変化傾向は、キャリア蓄積期間で半導体膜２３に入射した光量に深く関連する。そして、駆動回路７７が、ｉ行目のリード期間から次の（ｉ＋１）行目のプリチャージ期間までの間に、ドレインドライバ７６を介して、リード期間が開始してから所定の時間経過後のドレインライン４３，４３，…の電圧を検出してＤ／Ａ変換する。これにより、光の強度に換算される。なお、駆動回路７７が、ｉ行目のリード期間から次の（ｉ＋１）行目のプリチャージ期間までの間に、ドレインドライバ７６を介して、所定の閾値電圧に至るまでの時間を検出しても良い。この場合でも、光の強度に換算される。また、図８では、トップゲートドライバ７４の（ｉ＋１）行目のリセットパルスの立ち上がり時期は、ボトムゲートドライバ７５のｉ行目のリードパルスが立ち下がってからであるが、これに限らず、トップゲートドライバ７４の（ｉ＋１）行目のリセットパルスの立ち上がり時期は、トップゲートドライバ７４のｉ行目のリセットパルスの立ち下がり直後からボトムゲートドライバ７５のｉ行目のリードパルスの立ち下がりまでの間であってもよい。ただし、（ｉ＋１）行目のダブルゲートトランジスタ２０のためにドレインライン４３，４３，…に出力されたプリチャージパルスの出力は、ボトムゲートドライバ７５のｉ行目のリードパルスの立ち下がり以降になるように設定されている。

上述した一連の画像読み取り動作を１サイクルとして、全ての行の各ダブルゲートトランジスタ２０にも同等の処理手順を繰り返すことにより、ＤＮＡ分析デバイス１上の光の強度分布が画像として取得される。そして、光強度分布を表した画像は、駆動回路７７から演算処理装置７２へ出力される。演算処理装置７２は、駆動回路７７から入力した画像のうち分析領域５０内の像を表示装置７１に表示させる。表示された画像中のどの部分の光強度が大きいかによって、サンプルＤＮＡ断片の塩基配列を特定することができる。一方、演算処理装置７２は、駆動回路７７から入力した画像のうち情報担持領域５１内の像の各画素を２ビット化して所定情報を読み取る。

以上のように、本実施形態によれば、固体撮像デバイス３で撮像を行うことによって、分析領域５０ではサンプルＤＮＡ断片の分析する工程と、情報担持領域５１では所定情報を読み取る工程とを同時に行うことができる。
このためバーコードでＤＮＡ分析前に情報を読み取る場合では、作業者の思い違い等によって誤ったバーコード付きＤＮＡチップをＤＮＡ分析装置にセットしてもＤＮＡ分析時に誤っていることを認識することはできないが、本実施形態ではＤＮＡ分析と最終的に誤認していないかの情報の読み取りを同時に行えるので、効率的且つ正確にＤＮＡ分析を行うことができる。また、ＤＮＡ分析デバイス１では、分析領域５０の固体撮像デバイス３と情報読み取り用の情報担持領域５１の固体撮像デバイス３を同時に作り込むことができるので製造工程をあまり変える必要がなく、さらにＤＮＡ読取装置にバーコードリーダ等のような読取機器を別途設ける必要がないので、ＤＮＡ読取装置のコストを抑えることができる。

〔変形例〕
なお、図７に示すように、励起光照射機構７３が固体撮像デバイス３の受光面の上から受光面に向けて励起光を照射するように設けられているが、図９に示すように励起光照射機構１７３が固体撮像デバイス３の裏面の下から裏面に向けて励起光を照射するように設けられても良い。この場合のＤＮＡ分析デバイス１０１においては、光透過性変調部６５，６５，…に代えて光反射部１６５，１６５，…が情報担持領域５１内に点在している。情報担持領域５１内においては、光反射部１６５が各ダブルゲートトランジスタ２０ごとに被覆しているか否かによって所定情報がビット化した状態で担持されている。光反射部１６５，１６５，…は、励起光照射機構１７３から発する励起光を反射する性質を有し、更には可視光を反射する性質を有しても良い。このＤＮＡ分析デバイス１０１は、励起光透過性変調層３４が形成されていないことが、ＤＮＡ分析デバイス１と異なる。その他については、ＤＮＡ分析デバイス１０１の各部はＤＮＡ分析デバイス１の各部と同じであり、ＤＮＡ分析デバイス１０１において、ＤＮＡ分析デバイス１のいずれかの部分と同一の部分に対しては同一の符号を付し、同一の部分についての説明は省略する。

このＤＮＡ分析デバイス１０１では、ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のボトムゲート電極２１が遮光性を有しているため、励起光照射機構１７３から発した励起光が半導体膜２３に直接入射することはない。一方、ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…の間では励起光が透過して、スポット６０，６０，…や光反射部１６５，１６５，…に入射する。

分析領域５０内においては、サンプルＤＮＡ断片と結合したスポット６０は励起光によって蛍光を発し、そのスポット６０に対応したダブルゲートトランジスタ２０の半導体膜２３に蛍光が入射する。

一方、情報担持領域５１内においては、光反射部１６５によって被覆されたダブルゲートトランジスタ２０の半導体膜２３には励起光が入射するが、光反射部１６５によって被覆されていないダブルゲートトランジスタ２０の半導体膜２３には励起光が入射しない。これにより、情報担持領域５１内に担持された所定情報がビット化した状態で読み取られる。

上記ＤＮＡ分析デバイス１，１０１では、光電変換素子としてダブルゲートトランジスタ２０，２０，…を画素として用いた固体撮像デバイス３を用いているが、別の種類の光電変換素子を画素として用いた固体撮像デバイスをＤＮＡ分析デバイスに用いても良い。例えば、フォトダイオードを画素として用いたＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ等といった固体撮像デバイスを用いても良い。ＣＣＤイメージセンサにおいては、フォトダイオードが基板上にマトリクス状となって配列されており、それぞれのフォトダイオードの周囲には、フォトダイオードで光電変換された電気信号を転送するための垂直ＣＣＤ、水平ＣＣＤが形成されている。ＣＭＯＳイメージセンサにおいては、フォトダイオードが基板上にマトリクス状となって配列されており、それぞれのフォトダイオードの周囲にはフォトダイオードで光電変換された電気信号を増幅するためのＣＭＯＳ回路が設けられている。

本発明の実施の形態におけるＤＮＡ分析デバイス１の平面図である。 ＤＮＡ分析デバイス１とともにＤＮＡ読取装置の概略構成を示したブロック図である。 ＤＮＡ分析デバイス１に用いた固体撮像デバイス３の１つの画素の平面図である。 分析領域内５０内にある１つの画素の断面図である。 情報担持領域５１内において光透過性変調部６５によって被覆されていない画素の断面図である。 情報担持領域５１内において光透過性変調部６５によって被覆された画素の断面図である。 ＤＮＡ分析デバイス１をＤＮＡ読取装置にセッティングした場合の形態を示した側面図である。 ドライバによって固体撮像デバイス３に出力される電気信号のレベルの推移を示したタイミングチャートである。 別のＤＮＡ分析デバイス１０１をＤＮＡ読取装置にセッティングした場合の形態を示した側面図である。

符号の説明

１、１０１ … ＤＮＡ分析デバイス
３ … 固体撮像デバイス
１７ … 透明基板
２０ … ダブルゲートトランジスタ（光電変換素子、画素）
２１ … ボトムゲート電極
２３ … 半導体膜
３０ … トップゲート電極
３１ … 保護絶縁層（保護層）
３４ … 励起光透過性変調層
６０ … スポット
６１ … プローブＤＮＡ断片
６５ … 光透過性変調部
１６５ … 光反射部

Claims (5)

1. 固体撮像デバイスと、
   既知の塩基配列を有したプローブＤＮＡ断片からなり、前記固体撮像デバイスの受光面のうちの分析領域内に点在した複数種のスポットと、
   前記固体撮像デバイスの受光面のうちの情報担持領域内に所定情報に応じて所定の位置に配置された複数の光透過性変調部と、を備えることを特徴とするＤＮＡ分析デバイス。
2. 前記固体撮像デバイスの受光面のうちの分析領域内に励起光透過性変調層が形成され、前記複数種のスポットが前記励起光透過性変調層上に点在していることを特徴とする請求項１に記載のＤＮＡ分析デバイス。
3. 前記所定情報は、識別するための識別情報、製造時期情報、製造場所情報、ＤＮＡの抽出元の動植物の種類情報、その動植物の個体の特定情報、分析目的情報、分析有効期限情報の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＤＮＡ分析デバイス。
4. 既知の塩基配列を有したプローブＤＮＡ断片からなり、分析領域内に点在した複数種のスポットと、
   情報担持領域内に所定情報に応じて所定の位置に配置された複数の光透過性変調部と、
   前記分析領域内に配置された第一固体撮像デバイスと、
   前記情報担持領域内に配置され、前記第一固体撮像デバイスと同一構造の第二固体撮像デバイスと、
   を備えることを特徴とするＤＮＡ分析デバイス。
5. 遮光性を有するボトムゲート電極、光に感度を示す半導体膜、光を透過するトップゲート電極の順に透明基板の表面上に積層してなる複数の光電変換素子が前記透明基板の表面上に互いに離間して配列され、光を透過する保護層によって前記複数の光電変換素子をまとめて被覆してなる固体撮像デバイスと、
   既知の塩基配列を有したプローブＤＮＡ断片からなり、前記保護層の表面のうち一部の領域内に点在した複数種のスポットと、
   前記保護層の表面のうち別の領域内に点在した複数の光反射部と、を備え、
   前記光反射部が前記固体撮像デバイスの各光電変換素子ごとに被覆しているか否かによって所定情報がビット化した状態で前記別の領域内に担持されていることを特徴とするＤＮＡ分析デバイス。

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