JP2006071417A - 生体高分子分析チップ - Google Patents

Abstract

【課題】 走査機構を必要がなくても生体高分子を分析することができる生体高分子分析チップを提供すること。
【解決手段】 この生体高分子分析チップ１は、ダブルゲートトランジスタ２０を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の受光面に載置された光学伝送部としてのセルフォックレンズアレイ３３と、セルフォックレンズアレイ３３の入射面に成膜された励起光遮蔽膜３２と、励起光遮蔽膜３２の表面に沿ってマトリクス状に点在したスポット６０，６０，…と、を具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、生体高分子の構造を特定するために用いる生体高分子分析チップに関する。

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おり（特許文献１）、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ｃＤＮＡ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、被検出物であるサンプルＤＮＡを一本鎖のＤＮＡに変性して、変性したサンプルＤＮＡに蛍光物質等を結合させる。

次に、サンプルＤＮＡをＤＮＡマイクロアレイ上に添加すると、サンプルＤＮＡが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が複数種類のｃＤＮＡのうち相補的なｃＤＮＡと結合して、二本鎖が生じる。一方、サンプルＤＮＡは、相補性を有しないｃＤＮＡとは結合しない。サンプルＤＮＡに蛍光物質でマーキングを施しているため、サンプルＤＮＡと結合したｃＤＮＡが蛍光を発することになる。例えば、ＴＣＧＧＧＡＡという塩基配列を有するサンプルＤＮＡは、ＡＧＣＣＣＴＴという塩基配列を有するｃＤＮＡと結合し、そのｃＤＮＡ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、読取装置にて分析する。読取装置は、光源から発した励起光をコリメーターレンズによりビームとして収束し、ビームをＤＮＡマイクロアレイに対して二次元走査し、ビームの二次元走査と共に集光レンズ及びフォトマルも二次元走査し、ビームにより発した蛍光を集光レンズでフォトマルに集光させ、蛍光強度をフォトマルで計測し、二次元走査によってＤＮＡマイクロアレイの面内の蛍光強度分布を計測するようになっている。これにより、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の塩基配列と相補的な塩基配列を有したｃＤＮＡ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の塩基配列を特定することができる。
特開２０００−１３１２３７号公報

ところが、従来のＤＮＡマイクロアレイを用いてＤＮＡを分析するには、ＤＮＡマイクロアレイに対してビーム及びフォトマル等を走査する機構を必要とし、読取装置全体が大きいという問題がある。

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、走査機構を必要がなくても生体高分子を分析することができる生体高分子分析チップを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明の生体高分子分析チップは、固体撮像デバイスと、一方の面から他方の面に像を伝送し、前記一方の面を前記固体撮像デバイスの受光面に対向するよう前記固体撮像デバイスの受光面上に載置された光学伝送部と、既知の生体高分子からなり、前記光学伝送部の他方の面に沿って点在した複数種のスポットと、を備える。

また、本発明においては、前記光学伝送部が前記固体撮像デバイスの受光面に対して接離可能であることが好ましい。

また、本発明においては、前記光学伝送部の他方の面に励起光遮蔽膜が成膜され、前記励起光遮蔽膜を介して前記複数種のスポットが前記光学伝送部の他方の面に沿って点在していることが好ましい。

以上の生体高分子分析チップを用いる際には、標識されたサンプルを光学伝送部の他方の面上に塗布する。そうすると、サンプルが特異的な（例えば、相補的な）スポットには結合し、特異的でないスポットには結合しない。光学伝送部の他方の面に向かって励起光を照射すれば、光学伝送部の他方の面には蛍光強度分布が現れ、この蛍光強度分布が像として光学伝送部によって他方の面から一方の面に伝送される。そのため、固体撮像デバイスで撮像を行えば、サンプルに結合したスポットが付いた部分では蛍光により明るくなり、サンプルに結合していないスポットが付いた部分では暗くなる。以上のように製造された生体高分子分析チップを用いれば、ビーム等の走査を行わずとも固体撮像デバイスで撮像を行うだけで、二次元の画像が得られ、得られた画像からサンプルの分析を行うことができる。

本発明によれば、走査を行わずとも固体撮像デバイスで撮像を行うだけで二次元の画像が得られ、生体高分子の分析を行うことができる。

また、固体撮像デバイスに光学伝送部が載置されているから、生体高分子分析チップの使用後に光学伝送部を外せば、固体撮像デバイスをそのまま再利用することができる。

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。

〔１〕生体高分子分析チップの全体構成
図１は、本発明を適用した実施形態における生体高分子分析チップ１の概略平面図であり、図２は、図１の切断面II−IIの矢視断面図である。

この生体高分子分析チップ１は、光電変換素子を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の受光面に載置された光学伝送部としてのセルフォックレンズアレイ３３と、セルフォックレンズアレイ３３の入射面に成膜された励起光遮蔽膜３２と、励起光遮蔽膜３２の表面に沿ってマトリクス状に点在したスポット６０，６０，…と、を具備する。ここで、励起光とは、後述する蛍光物質、燐光材料又は光共鳴散乱物質を励起させる波長域の光であり、蛍光とは、励起光によって励起された蛍光物質、燐光材料又は光共鳴散乱物質が発する波長域の光であり、励起光の波長域は蛍光の波長域と異なる。具体的には、励起光とは紫外線波長域の光であり、蛍光とは可視光波長域の光である。

〔２〕固体撮像デバイス
図１〜図４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２は、固体撮像デバイス３の画素である光電変換素子の電極構造を示した平面図であり、図３は、固体撮像デバイス３の光電変換素子の断面図である。

この固体撮像デバイス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。複数のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…が絶縁性基板１７に沿ってマトリクス状に配列されている。

絶縁性基板１７は、光を透過する性質（以下、光透過性という。）を有するとともに電気的に絶縁性を有し、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，…は何れも、受光部である半導体膜２３と、ボトムゲート絶縁膜２２を挟んで半導体膜２３の下に形成されたボトムゲート電極２１と、トップゲート絶縁膜２９を挟んで半導体膜２３の上に形成されたトップゲート電極３０と、半導体膜２３の一部に重なるよう形成された不純物半導体膜２５と、半導体膜２３の別の一部に重なるよう形成された不純物半導体膜２６と、不純物半導体膜２５に重なったソース電極２７と、不純物半導体膜２５に重なったドレイン電極２８と、を備え、半導体膜２３において受光した光量に従ったレベルの電気信号に変換するものである。

ボトムゲート電極２１がダブルゲートトランジスタ２０ごとに形成され、複数のボトムゲート電極２１が絶縁性基板１７上にマトリクス状に配列されている。また、絶縁性基板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が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。

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，…はボトムゲート絶縁膜２２によってまとめて被覆されている。すなわち、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た膜である。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、複数の半導体膜２３がマトリクス状に配列されている。半導体膜２３は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立して形成されており、それぞれのダブルゲートトランジスタ２０においてボトムゲート電極２１に対して対向配置され、ボトムゲート電極２１との間にボトムゲート絶縁膜２２を挟んでいる。半導体膜２３は、平面視して略矩形状を呈しており、受光した蛍光の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、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立してパターニングされており、それぞれのダブルゲートトランジスタ２０において半導体膜２３の中央部上に形成されている。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ごとに独立して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、ソース電極２７が形成され、不純物半導体膜２６上には、ドレイン電極２８が形成されている。ソース電極２７及びドレイン電極２８はダブルゲートトランジスタ２０ごとに形成されている。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。

ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のソース電極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，…は、トップゲート絶縁膜２９によってまとめて被覆されている。すなわち、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た膜である。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、複数のトップゲート電極３０マトリクス状に配列されている。トップゲート電極３０は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立して形成されており、それぞれのダブルゲートトランジスタ２０において半導体膜２３に対して対向配置され、半導体膜２３との間にトップゲート絶縁膜２９を挟んでいる。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。

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，…は保護絶縁膜３１によってまとめて被覆され、保護絶縁膜３１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た膜である。保護絶縁膜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、保護絶縁膜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の半導体膜２３に入射した光量を電気信号のレベルに変換するように設けられている。

〔３〕セルフォックレンズアレイ
セルフォックレンズアレイ３３は、円柱状の複数のセルフォックレンズ３４の中心軸を互いに平行とするようこれらセルフォックレンズ３４を配列した光学系であって、複数のセルフォックレンズ３４全体で一つの連続した像を形成する光学系である。セルフォックレンズ３４の屈折率は、セルフォックレンズ３４の中心軸からセルフォックレンズ３４の円柱面にかけて半径方向に沿って連続的に変化している。

セルフォックレンズアレイ３３は、出射面（セルフォックレンズ３４の円形下面の集合）を固体撮像デバイス３の受光面に対向させ且つ当接させるよう固体撮像デバイス３の受光面に載置されている。このように載置されたセルフォックレンズアレイ３３においては、セルフォックレンズ３４の中心軸が固体撮像デバイス３の受光面に対して垂直になっている。セルフォックレンズアレイ３３は、固体撮像デバイス３の受光面に対して接離可能である。

〔４〕励起光遮蔽膜
セルフォックレンズアレイ３３の入射面（セルフォックレンズ３４の円形上面の集合）には、励起光を遮蔽するとともに蛍光を透過する励起光遮蔽膜３２が成膜されている。励起光遮蔽膜３２は例えばＴｉＯ₂からなる。

〔５〕スポット
図１、図２、図４に示すように、複数種のスポット６０，６０，…が励起光遮蔽膜３２に直接点着され、励起光遮蔽膜３２を介してセルフォックレンズアレイ３３の受光面に沿って点在している。これらスポット６０，６０，…は互いに離間してマトリクス状に配列されている。スポット６０は一本鎖プローブＤＮＡ６１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ＤＮＡ６１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ＤＮＡ６１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。

図１に示すように、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。

〔６〕ＤＮＡ分析方法及び分析支援装置
次に、生体高分子分析チップ１を用いてＤＮＡの塩基配列を分析する方法について説明する。

図５，６に示された分析支援装置７０に生体高分子分析チップ１をセッティングして生体高分子分析チップ１を用いるので、まず分析支援装置７０について説明する。図５は、分析支援装置７０の構成を示したブロック図であり、図６は、分析支援装置７０に生体高分子分析チップ１をセッティングした場合の側面図である。図６において、生体高分子分析チップ１は破断して示されている。

分析支援装置７０は、生体高分子分析チップ１がセッティングされる分析台７１と、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励起光照射装置７２と、固体撮像デバイス３を駆動するトップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６と、励起光照射装置７２、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６を制御するコントローラ７３と、コントローラ７３から出力された信号により出力（表示又はプリント）を行う出力装置７７と、を備えて構成されている。

生体高分子分析チップ１は分析台７１に対して着脱可能である。生体高分子分析チップ１が分析台７１にセッティングされた場合には、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。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、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。また、生体高分子分析チップ１が分析台７１にセッティングされた場合、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。

励起光照射装置７２は分析台７１との間に所定間隔をあけて分析台７１に対向している。分析台７１に生体高分子分析チップ１が搭載された場合に、励起光照射装置７２が励起光を面状に生体高分子分析チップ１に照射する。励起光照射装置７２から出射する励起光は、後述する蛍光物質、燐光材料又は光共鳴散乱物質を励起させる波長域の光である。なお、励起光照射装置７２は、出射する励起光の波長域を可変可能であっても良い。

出力装置７７はプロッタ、プリンタ又はディスプレイである。

トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６は、協同して固体撮像デバイス３を駆動するものである。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、図７に示すように、トップゲートドライバ７４はトップゲートライン４４，４４，…にリセットパルスを順次出力する。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。

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、図７に示すように、ボトムゲートライン４１，４１，…にリードパルスを順次出力する。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が何れかの行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が出力信号をシフトする。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、何れか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。

図７に示すように、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を出力する。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，…の電圧を増幅してコントローラ７３に出力する。

コントローラ７３は励起光照射装置７２を点灯させる機能を有する。また、コントローラ７３は、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６に制御信号を出力することによって、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６に固体撮像デバイス３の駆動動作を行わせる機能を有する。また、コントローラ７３はドレインドライバ７６から入力した電気信号をＡ／Ｄ変換することで、固体撮像デバイス３の受光面に沿った蛍光強度分布を二次元の画像データとして取得する機能を有する。また、コントローラ７３は入力した二次元の画像データ画像データに従った画像を出力装置７７に出力させる機能を有する。

生体高分子分析チップ１及び分析支援装置７０の動作並びに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、採取した二本鎖ＤＮＡを一本鎖ＤＮＡに変性してから場合によってＰＣＲ増幅を行い、得られた一本鎖ＤＮＡに蛍光物質、燐光材料又は光共鳴散乱物質を結合させ、一本鎖ＤＮＡを蛍光物質、燐光材料又は光共鳴散乱物質で標識する。蛍光物質、燐光材料又は光共鳴散乱物質は、分析支援装置７０の励起光照射装置７２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。得られた一本鎖ＤＮＡは、溶液中に含まれている。以下では、この一本鎖ＤＮＡをサンプルＤＮＡという。

次いで、作業者が、サンプルＤＮＡを含有した溶液を生体高分子分析チップ１の表面（励起光遮蔽膜３２の表面）に塗布する。ここで、生体高分子分析チップ１にサンプルＤＮＡを分布させるために、サンプルＤＮＡを電気泳動させても良い。なお、サンプルＤＮＡを含有した溶液をスポット６０，６０，…に順次又は同時に滴下しても良い。このとき、一本鎖が二本鎖とならないようにサンプルＤＮＡを含有した溶液を加熱する。

その後、サンプルＤＮＡのハイブリダイゼーションを引き起こすために、生体高分子分析チップ１を所定の温度に冷却する。これにより、スポット６０，６０，…のなかにサンプルＤＮＡと相補的なものがあれば、サンプルＤＮＡが相補的なスポット６０のプローブＤＮＡ６１とハイブリダイゼーションにより結合する。一方、スポット６０，６０，…のなかにサンプルＤＮＡと相補的なものがなければ、サンプルＤＮＡはどのスポット６０，６０，…にも結合しない。

その後、生体高分子分析チップ１の表面に塗布したサンプルＤＮＡ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際に除去され、ハイブリダイゼーションしたものは、固体撮像デバイス３上に残存する。

次いで、作業者が生体高分子分析チップ１を分析台７１にセッティングし、励起光照射装置７２に生体高分子分析チップ１を対向させ、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６に生体高分子分析チップ１を接続する。

その後、コントローラ７３を起動すると、コントローラ７３が励起光照射装置７２を制御して励起光照射装置７２を点灯させると、励起光照射装置７２から生体高分子分析チップ１の表面に向けて励起光が出射する。

サンプルＤＮＡが標識されているので、スポット６０，６０，…のうちサンプルＤＮＡとハイブリダイゼーションしたスポット６０からは蛍光が発し、サンプルＤＮＡと結合しなかったスポット６０からは蛍光が発しない。スポット６０，６０，…がセルフォックレンズアレイ３３の入射面上において点在し、これらのうち蛍光を発するスポット６０と蛍光を発しないスポット６０が存在するから、セルフォックレンズアレイ３３の入射面には蛍光強度の分布が現れる。この蛍光強度の分布が像としてセルフォックレンズアレイ３３によって出射面に伝送され、固体撮像デバイス３の受光面に結像される。なお、サンプルＤＮＡに燐光材料を結合させた場合、励起光照射装置７２が消灯しても、サンプルＤＮＡとハイブリダイゼーションしたスポット６０からは蛍光の残光（燐光）が発し続ける。

その後、蛍光物質又は光共鳴散乱物質をサンプルＤＮＡに結合した場合には励起光照射装置７２が点灯した状態で、燐光材料をサンプルＤＮＡに結合した場合には励起光照射装置７２が点灯後に消灯した状態で、コントローラ７３がトップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６を制御することにより、固体撮像デバイス３に撮像動作を行わせる。これにより、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、受光面に沿った蛍光強度分布を二次元の画像データとして取得する。コントローラ７３は、固体撮像デバイス３で取得された画像データを入力し、その画像を出力装置７７に出力する。そして、コントローラの処理が終了する。

作業者は、出力装置７７により出力された画像データからハイブリダイゼーションの有無を確認し、ハイブリダイゼーションが起きていればサンプルＤＮＡの塩基配列を特定する。即ち、サンプルＤＮＡの塩基配列は、画像の中でハイブリダイゼーションによって蛍光を発した画素に重なったスポット６０と相補的な配列であるので、出力された画像データ中のどの部分が蛍光を発したかによってサンプルＤＮＡの塩基配列を特定することができる。

ここで、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びドレインドライバ７６による固体撮像デバイス３の動作について説明する。
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から最終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。その際、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。

１行目から最終行目までのうちの任意の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７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内や半導体膜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内で生成されるが、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内や半導体膜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内や半導体膜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の負電界を緩和するように働くため、ボトムゲート電極２１の正電界により半導体膜２３にｎ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、ｉ行目のリード期間から次のｉ＋１行目（但し、ｉ行目が最終行目の場合には、ｉ＋１行目は１行目である。）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Ａ／Ｄ変換する。これにより、光の強度に換算される。なお、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７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、生体高分子分析チップ１上の光の強度分布が画像として取得される。そして、蛍光強度分布を表した画像は、コントローラに入力される。

以上のように、本実施形態によれば、固体撮像デバイス３に載置されたセルフォックレンズアレイ３３上にスポット６０，６０，…が点在しているから、走査を行わずとも固体撮像デバイス３で撮像を行うだけで二次元の画像が得られる。更に、分析支援装置７０にレンズを設けなくとも、固体撮像デバイス３で鮮明な像を得ることができるので、分析支援装置７０の小型化を図ることができる。更に、セルフォックレンズアレイ３３上にスポット６０，６０，…が点在しているため、スポット６０から発した光が殆ど減衰せずに固体撮像デバイス３の受光面に入射する。そのため、固体撮像デバイス３の感度が高くなくても済む。

また、固体撮像デバイス３にセルフォックレンズアレイ３３が載置されているから、生体高分子分析チップ１の使用後にセルフォックレンズアレイ３３を外せば、固体撮像デバイス３を再利用することができる。

〔変形例１〕
上記生体高分子分析チップ１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生体高分子分析チップに用いても良い。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。

〔変形例２〕
上記生体高分子分析チップ１では、スポット６０が既知の塩基配列の一本鎖ＤＮＡからなるものであるが、その他の既知の生体高分子、例えば、既知のアミノ酸配列やペプチド配列のタンパク質、既知の細胞等からなるものでも良い。したがって、生体高分子分析チップ１によってタンパク質のアミノ酸配列やペプチド配列を分析することが可能となる。

〔変形例３〕
また、上記実施形態では、励起光照射装置７２から発する励起光を紫外線とし、励起光によってサンプルＤＮＡから発する蛍光を可視光としたが、このような光の波長域に限定されない。但し、励起光照射装置７２から発する励起光がサンプルＤＮＡに結合させた標識物質を励起させる波長域の光であること、励起光によって標識物質から発した光の波長域が励起光の波長域と異なることが必要である。また、固体撮像デバイス３が標識物質から発した光に対して感度を示すことが必要である。

〔変形例４〕
また、上記分析支援装置７０では、コントローラ７３が固体撮像デバイス３から入力した画像データに従った画像を出力装置７７に出力し、作業者が出力された画像からサンプルＤＮＡの配列を特定したが、コントローラ７３がサンプルＤＮＡの配列を特定しても良い。すなわち、コントローラが、特徴抽出処理によって画像データ中のどの部分が蛍光を発しているかを特定し、蛍光を発している部分に対応するスポット６０を特定し、その特定したスポット６０に相補的な塩基配列を出力装置から出力する。

〔変形例５〕
また、セルフォックレンズアレイ３３の入射面に励起光遮蔽膜３２を成膜せず、スポット６０，６０，…をセルフォックレンズアレイ３３の入射面に直接点着しても良い。その場合、セルフォックレンズアレイ３３の各セルフォックレンズ３４を励起光遮蔽性であって蛍光透過性の材料（例えば、ＴｉＯ₂）から形成すれば良い。

本発明の実施の形態における生体高分子分析チップ１の概略平面図である。 図１の切断面IIに沿った断面図である。 固体撮像デバイス３の１つの画素の平面図である。 図３の切断面IVに沿った断面図である。 分析支援装置７０の回路構成を示したブロック図である。 分析支援装置７０の概略側面図である。 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。

符号の説明

１…生体高分子分析チップ
３…固体撮像デバイス
３２…励起光遮蔽膜
３３…セルフォックレンズアレイ（光学伝送部）
６０…スポット

Claims (3)

1. 固体撮像デバイスと、
   一方の面から他方の面に像を伝送し、前記一方の面を前記固体撮像デバイスの受光面に対向するよう前記固体撮像デバイスの受光面上に載置された光学伝送部と、
   既知の生体高分子からなり、前記光学伝送部の他方の面に沿って点在した複数種のスポットと、を備えることを特徴とする生体高分子分析チップ。
2. 前記光学伝送部が前記固体撮像デバイスの受光面に対して接離可能であることを特徴とする請求項１に記載の生体高分子分析チップ。
3. 前記光学伝送部の他方の面に励起光遮蔽膜が成膜され、前記励起光遮蔽膜を介して前記複数種のスポットが前記光学伝送部の他方の面に沿って点在していることを特徴とする請求項１又は２に記載の生体高分子分析チップ。

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