JP2008249563A - 生体高分子分析装置及び生体高分子分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サンプルの生体高分子を効率よく結合させることができる生体高分子分析装置を提供する。
【解決手段】生体高分子分析装置１の固体撮像デバイス１０は、半導体膜２３、光透過性の第一ゲート電極３１を有するフォトセンサを備える。第一ゲート電極３１は、センサ検出モードでは、半導体膜２３に入射した光量に応じて生じるキャリアを蓄積するために第一電圧を印加され、ターゲット移動モードでは、電荷を帯電した生体高分子を誘引するために第一電圧に対して電位差が＋３０Ｖ未満の範囲で可変である第二電圧を印加し、その電圧レベルを変化させる。
【選択図】図７

Description

本発明は、生体高分子分析装置及び生体高分子分析方法に関し、特に固体撮像デバイスを用いた生体高分子分析装置及び生体高分子分析方法に関する。

様々な生物種の遺伝子の発現解析を行うためにＤＮＡマイクロアレイや抗体マイクロアレイ等の生体高分子分析マイクロアレイやその読取装置が開発されている。生体高分子分析マイクロアレイは、プローブとなる既知の塩基配列のｃＤＮＡや抗体をスライドガラス等の固体担体上にマトリックス状に整列固定させたものである。例えば、ＤＮＡマイクロアレイ及びその読取装置を用いた遺伝子の発現解析は次のようにして行う。

まず、既知の塩基配列を有した複数種類のｃＤＮＡ（以下、プローブＤＮＡという）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、検体からｍＲＮＡを抽出し、逆転写酵素を用いてｃＤＮＡを合成し、標識物質で標識したものを用意する（以下、標識ＤＮＡという）。ここで、標識物質には蛍光体や化学発光基質、あるいは化学発光基質を発光させる酵素等を用いることができる。
次に、標識ＤＮＡをＤＮＡマイクロアレイ上に添加すると、標識ＤＮＡが相補的なプローブＤＮＡとハイブリダイズすることによりＤＮＡマイクロアレイ上に固定される。
次に、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（例えば、特許文献１参照）にて分析する。読取装置は、Ｘ方向及びそれ直交するＹ方向にＤＮＡマイクロアレイを移動させながら、ＤＮＡマイクロアレイに励起光ビームを照射して標識物質から発した光を集光レンズでフォトマルチプライヤーに集光させ、光強度をフォトマルチプライヤーで計測することで、ＤＮＡマイクロアレイの面内の光強度分布を計測するものである。これにより、ＤＮＡマイクロアレイ上の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光強度が大きい部分には、プローブＤＮＡの塩基配列と相補的な塩基配列を有した標識ＤＮＡ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検体で発現しているｍＲＮＡを同定することができる。
特開２０００−１３１２３７

しかし、ＤＮＡマイクロアレイを用いてＤＮＡを分析するには、少量なサンプルのＤＮＡを効率よくＤＮＡマイクロアレイのＤＮＡに結合させなければならなかった。
そこで、本発明の課題は、サンプルの生体高分子を効率よく結合させることができる生体高分子分析装置及び生体高分子分析方法を提供することである。

以上の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、生体高分子分析装置において、
半導体膜、光透過性の第一ゲート電極を有するフォトセンサを備えた固体撮像デバイスにおいて、
前記第一ゲート電極は、センサ検出モードでは、前記半導体膜に入射した光量に応じて生じるキャリアを蓄積するために第一電圧を印加され、
ターゲット移動モードでは、電荷を帯電した生体高分子を誘引するために前記第一電圧に対して電位差が＋３０Ｖ未満の範囲で可変である第二電圧を印加されること、
を特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の生体高分子分析装置において、
前記フォトセンサは第二ゲート電極を備え、
前記センサ検出モードにおいて、前記第一ゲート電極に前記第一電圧を印加したのち、所定時間を経て、前記キャリアの働きに伴った電流を流すために前記第二ゲート電極に第三電圧を印加することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の生体高分子分析装置において、
前記固体撮像デバイスを加熱・冷却する加熱冷却素子を更に備え、
前記第一ゲート電極に前記第二電圧が印加される前に、前記加熱冷却素子が前記固体撮像デバイスを加熱し、
前記第一ゲート電極に前記第二電圧が印加されている時に、前記加熱冷却素子が前記固体撮像デバイスを冷却し、
前記第一ゲート電極に前記第二電圧が印加された後、前記加熱冷却素子が前記固体撮像デバイスを加熱することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１から３の何れか一項に記載の生体高分子分析装置において、
前記第一ゲート電極に前記第二電圧が印加された後、前記加熱冷却素子が前記固体撮像デバイスを加熱する温度は、前記スポットの受光面上に固定されたプローブとミスハイブリダイズした生体高分子を解離する解離温度であることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、生体高分子の分析方法であって、
半導体膜、光透過性の第一ゲート電極を有するフォトセンサを備えた固体撮像デバイスにおいて、
前記第一ゲート電極に、センサ検出モードでは、前記半導体膜に入射した光量に応じて生じるキャリアを蓄積するために第一電圧を印加し、
ターゲット移動モードでは、電荷を帯電した生体高分子を誘引するために前記第一電圧に対して電位差が＋３０Ｖ未満の範囲で可変である第二電圧を印加すること、
を特徴とする。

本発明によれば、蛍光標識されたサンプルの生体高分子を含む溶液を固体撮像デバイスの保護絶縁膜上に散布し、トップゲートドライバによって正電圧が複数のトップゲートラインのうちの少なくとも１つに印加されると、溶液中のサンプルが移動する。従って、固体撮像デバイスの構成部材を利用して効率よく生体高分子をスポットに導くことができ、サンプルの生体高分子が保護絶縁膜上のスポットに濃縮される。そのため、サンプルの生体高分子をスポットの生体高分子に効率よく結合させることができる。
また、トップゲートラインに印加されている正電圧は任意に設定することができるので、トップゲートラインの電触を抑えることができる。

以下に、本発明を実施するための好ましい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は本発明の実施形態における生体高分子分析装置に用いられる生体高分子分析チップ１の概略斜視図であり、図２はこの生体高分子分析チップ１の概略平面図である。
図１、図２に示すように、生体高分子分析チップ１は、固体撮像デバイス１０と、固体撮像デバイス１０の受光面側に設けられた枠状の隔壁５１と、固体撮像デバイス１０の受光面において点在した複数のスポット６０，６０，…と、固体撮像デバイス１０の受光面と反対側の面に設けられたペルチェ素子１２と、を具備する。

〔２〕固体撮像デバイス
ここで、図２、図３を用いて固体撮像デバイス１０について説明する。図３は、図２に示された沿った断面を展開して示した概略断面図である。
図２、図３に示すように、固体撮像デバイス１０は、絶縁基板１７と、ボトムゲート絶縁膜２２と、トップゲート絶縁膜２９と、保護絶縁膜３２と、励起光吸収層３３と、スポット固定層３５とを積層してなる。これらの層間に、複数のボトムゲートライン４１、ソースライン４２、ドレインライン４３、トップゲートライン４４、ボトムゲート電極２１、半導体膜２３、チャネル保護膜２４、不純物半導体膜２５，２６、ソース電極２７、ドレイン電極２８及びトップゲート電極３１（第一ゲート電極）が設けられている。なお、詳細には後述するが、ボトムゲート電極２１（第二ゲート電極）、半導体膜２３、チャネル保護膜２４、不純物半導体膜２５，２６、ソース電極２７、ドレイン電極２８及びトップゲート電極３１によってダブルゲート型電界効果薄膜トランジスタ２０が構成される。

絶縁基板１７は、後述する蛍光体が発する光（主に可視光）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。つまり、絶縁基板１７は透明基板である。

この固体撮像デバイス１０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薄膜トランジスタ（以下、フォトセンサという。）２０が利用され、複数のフォトセンサ２０，２０，…が絶縁基板１７上において二次元アレイ状に特にマトリクス状に配列され、これらフォトセンサ２０，２０，…がシリコン窒化物（Si₃N₄、SiN）又はシリコン酸化物（SiO₂）等の保護絶縁膜３２によってまとめて被覆されている。
なお、図２では８行×８列のマトリクス状の二次元アレイを示すが、さらに多くの行及び列を有していてもよい。

図４はフォトセンサ２０を示す平面図であり、図５は図４のV−V矢視断面図である。図４、図５に示すように、フォトセンサ２０は、受光部である半導体膜２３と、半導体膜２３上に形成されたチャネル保護膜２４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３１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の別の部分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２６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を出力するものである。

ボトムゲート電極２１は、フォトセンサ２０ごとに絶縁基板１７上に形成されている。また、絶縁基板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フォトセンサ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。

フォトセンサ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は全てのフォトセンサ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（Si₃N₄、SiN）又は酸化シリコン（SiO₄）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するよう形成されている。半導体膜２３は、フォトセンサ２０ごとに独立して形成されている。それぞれのフォトセンサ２０において、半導体膜２３がボトムゲート電極２１に対して対向配置され、半導体膜２３とボトムゲート電極２１との間にボトムゲート絶縁膜２２が挟まれている。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、フォトセンサ２０ごとに独立してパターニングされており、それぞれのフォトセンサ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、フォトセンサ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はフォトセンサ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フォトセンサ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フォトセンサ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。

フォトセンサ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。トップゲート絶縁膜２９は全てのフォトセンサ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、トップゲート電極３１がフォトセンサ２０ごとに形成されている。それぞれのフォトセンサ２０において、トップゲート電極３１が半導体膜２３に対して対向配置され、トップゲート電極３１と半導体膜２３との間にトップゲート絶縁膜２９及びチャネル保護膜２４が挟まれている。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フォトセンサ２０，２０，…のトップゲート電極３１が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３１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。

フォトセンサ２０，２０，…のトップゲート電極３１及びトップゲートライン４４，４４，…は保護絶縁膜３２によってまとめて被覆され、保護絶縁膜３２は全てのフォトセンサ２０，２０，…に共通して形成された膜である。保護絶縁膜３２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。

保護絶縁膜３２の上面には、後述する蛍光体６４（図１０〜図１３に図示）の励起光を吸収する励起光吸収層３３が設けられている。励起光吸収層３３は、蛍光体６４から発する蛍光に対して高い透過性を示すものが好ましい。

励起光吸収層３３の上面には、スポット固定層３５が設けられている。スポット固定層３５は、スポット６０となる後述するプローブと共有結合または静電結合することで、スポット６０を固定するものである。スポット固定層３５が設けられた側の面が、固体撮像デバイスの受光面となる。

以上のように構成された固体撮像デバイス１０は、スポット固定層３５の表面を受光面としており、各フォトセンサ２０の半導体膜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。

〔３〕スポット
図２、図３に示すように、固体撮像デバイス１０の受光面にはスポットが形成されている。各スポット６０は、プローブとなる既知の塩基配列のｃＤＮＡ（プローブＤＮＡ６１）や抗体等の溶液をスポット固定層３５上に滴下し、乾燥して形成される。以下ではプローブとして既知の塩基配列のｃＤＮＡを用いた場合について説明する。

１つのスポット６０では同じ塩基配列の一本鎖のプローブＤＮＡ６１が多数集まった群集が固体撮像デバイス１０の受光面に固定化され、スポット６０ごとにプローブＤＮＡ６１は異なる塩基配列となっている。プローブＤＮＡ６１としては、既知のｍＲＮＡの塩基配列のＤＮＡ又はその一部と同一の若しくは相補的な塩基配列のＤＮＡが用いられる。具体的には、例えば、後述する蛍光標識ＤＮＡ６２で用いるのと同じ細胞検体から作成したｃＤＮＡライブラリを用いることができる。

１つのスポット６０はフォトセンサ２０上に重なるように形成されている。なお、１つのスポット６０に重なったフォトセンサ２０の数は異なっていてもよい。また、図１では２×２のスポット６０が形成されているが、スポット６０の数は固体撮像デバイス１０の大きさに合わせた任意の数にすることができる。

〔４〕隔壁
図１、図２に示すように、隔壁５１は固体撮像デバイス１０の縁に沿ってスポット固定層３５の上に密着されている。隔壁５１が枠状に設けられることで、隔壁５１によって囲まれた内側の部分がウェル５２となり、ウェル５２内において固体撮像デバイス１０の受光面が露出して複数のスポット６０，６０，…が点在している。

〔５〕ペルチェ素子
ペルチェ素子１２は、固体撮像デバイス１０の受光面とは反対側の面に貼着されている。ペルチェ素子１２は、固体撮像デバイス１０を加熱したり、冷却したりするものである。ペルチェ素子１２の加熱又は冷却によって、ウェル５２内に存するものも加熱されたり、冷却されたりする。なお、ウェル５２の内側を加熱・冷却できるのであれば、ペルチェ素子１２の設ける位置は固体撮像デバイス１０の受光面の反対面でなくても良く、例えば隔壁５１に設けられていても良い。また、加熱と冷却を電気的に行えるものであれば、加熱冷却素子はペルチェ素子１２でなくても良く、例えばヒータとクーラの組み合わせであっても良い。

〔７〕生体高分子分析装置
生体高分子分析チップ１を生体高分子分析装置７０に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、生体高分子分析装置７０について説明する。図６は、生体高分子分析装置７０の構成を示すブロック図であり、図７は、セッティングされた生体高分子分析チップ１及びその周辺回路を示した回路図である。

図６、図７に示すように、生体高分子分析装置７０は、着脱可能な生体高分子分析チップ１と、装着された生体高分子分析チップ１の固体撮像デバイス１０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、ドレインドライバ７６と、これらを制御するコントローラ７１と、コントローラ７１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７２と、コントローラ７１により制御されて、励起光（主に紫外線）を生体高分子分析チップ１に照射する励起光照射装置７３と、を備える。

トップゲートドライバ７４はトップゲートライン４４，４４，…に接続され、ボトムゲートドライバ７５はボトムゲートライン４１，４１，…に接続されている。ドレインドライバ７６はコラムスイッチ８１と、プリチャージスイッチ８２と、アンプ８３とから構成され、コラムスイッチ８１がドレインライン４３，４３，…に接続されている。

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に対して、固体撮像デバイス１０が着脱可能に設けられている。固体撮像デバイス１０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に取り付けられた場合、ソースライン４２，４２，…が一定電圧源Ｖssに接続され、具体的にはソースライン４２，４２，…が±０〔Ｖ〕の接地に接続される。

また、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、コントローラ７１によって制御される。ここで、図８は、トップゲートドライバ７４、ボトムゲートドライバ７５及びコントローラ７１から出力される信号のタイミングチャートである。

図６〜図８に示すように、コントローラ７１は、制御信号φchm、制御信号φtg及び制御信号φbgを出力する。制御信号φchmは、コントローラ７１からトップゲートドライバ７４及びボトムゲートドライバ７５に出力される信号であり、制御信号φtgは、コントローラ７１からトップゲートドライバ７４に出力される信号であり、制御信号φbgは、コントローラ７１からボトムゲートドライバ７５に出力される信号であり、制御信号φpgは、コントローラ７１からドレインドライバ７６のプリチャージスイッチ８２に出力される信号である。

コントローラ７１から出力される制御信号φchmはゲート信号である。つまり、コントローラ７１は制御信号φchmをトップゲートドライバ７４及びボトムゲートドライバ７５に出力することによってトップゲートドライバ７４及びボトムゲートドライバ７５をターゲット移動モードＭ１又はセンサ検出モードＭ２の何れかで動作させる。具体的には、制御信号φchmがハイレベルの場合、トップゲートドライバ７４及びボトムゲートドライバ７５がターゲット移動モードＭ１で動作し、制御信号φchmがローレベルの場合、トップゲートドライバ７４及びボトムゲートドライバ７５がセンサ検出モードＭ２で動作する。

コントローラ７１は、制御信号φtgをトップゲートドライバ７４に出力することによってトップゲートドライバ７４を動作させる。また、コントローラ７１は、制御信号φbgをボトムゲートドライバ７５に出力することによってボトムゲートドライバ７５を動作させる。

図７、図８において、信号φT1〜φTnは、トップゲートドライバ７４によって各トップゲートライン４４に出力される信号である。信号φT1〜φTnに付された数字１〜ｎは、トップゲートライン４４の行番号を表す。つまり、例えば第１行のトップゲートライン４４への出力電圧は信号φT1となり、第２行のトップゲートライン４４への出力電圧は信号φT2となる。信号φB1〜φBnは、ボトムゲートドライバ７５によって各ボトムゲートライン４１に出力される信号である。信号φB1〜φBnに付された数字１〜ｎは、ボトムゲートライン４１の行番号を表す。また、図２に示すように、全体の行数が８行の場合、ｎ＝８である。なお、図７、図８に示された各信号は、電圧のレベルで表されたものである。

トップゲートドライバ７４は、制御信号φchm及び制御信号φtgに従って動作する。ここで、制御信号φchmがハイレベルの場合、つまり、ターゲット移動モードＭ１の場合、トップゲートドライバ７４は制御信号φtgに従って、トップゲートライン４４，４４，…のうちの少なくとも一本（図８では、１行目、４行目及び５行目）に対してローレベルの一定電圧（図８では、−１５Ｖ）を印加した状態を維持する。そのターゲット移動モードＭ１において、トップゲートドライバ７４は、制御信号φtgに従って、他のトップゲートライン４４（図８では、２行目及び３行目）に対してはローレベルよりも高い電圧（第二電圧）を印加して、その電圧のレベルを変化させる。

一方、制御信号φchmがローレベルの場合、つまり、センサ検出モードＭ２の場合、トップゲートドライバ７４は制御信号φtgに従って、±０〔Ｖ〕を越えたハイレベルのパルス電圧（第一電圧）（図８では、一例として＋１５〔Ｖ〕である。）をトップゲートライン４４，４４，…に順次印加する。トップゲートドライバ７４がパルス電圧を印加しない時には、つまり信号φT1〜φTnがローレベルの時には、負電圧（図８では、一例として−１５〔Ｖ〕である。）がトップゲートドライバ７４によってトップゲートライン４４，４４，…に印加される。

ボトムゲートドライバ７５は、制御信号φchm及び制御信号φbgに従って動作する。ここで、制御信号φchmがハイレベルの場合、つまり、ターゲット移動モードＭ１の場合、ボトムゲートドライバ７５はボトムゲートライン４１，４１，…の何れにも電圧を印加せず、信号φB1〜φBnは何れもローレベル（図８では、±０〔Ｖ〕）である。

一方、制御信号φchmがローレベルの場合、つまり、センサ検出モードＭ２の場合、ボトムゲートドライバ７５は制御信号φbgに従って、ハイレベルのパルス電圧（第三電圧）（図８では、一例として＋１５〔Ｖ〕である。）をボトムゲートライン４１，４１，…に順次印加する。ボトムゲートドライバ７５がパルス電圧を印加しない時には、つまり信号φB1〜φBnがローレベルの時には、ボトムゲートライン４１，４１，…の電圧は±０〔Ｖ〕である。

センサ検出モードＭ２においてトップゲートドライバ７４及びボトムゲートドライバ７５によって印加されるパルス電圧のタイミングについて図８及び図９を用いて説明する。ここで、図９は、センサ検出モードＭ２において、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にハイレベルのパルス電圧を印加してからボトムゲートドライバ７５が（ｉ＋１）行目のボトムゲートライン４１にハイレベルのリードパルスを印加するまでの間の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によって出力される信号のタイミングチャートである。なお、ｉとは、１〜ｎのうちの任意の数であり、ｉ行目が最終行目の場合には（ｉ＋１）行目は１行目である。

図８及び図９に示すように、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にハイレベルのパルス電圧を印加した後に所定時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にハイレベルのパルス電圧を印加するように、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、同じ行では、ボトムゲートライン４１にパルス電圧が印加されるタイミングは、トップゲートライン４４にパルス電圧が印加されるタイミングより遅れている。

図９において、リセット時間Ｔresetは、トップゲートライン４４にパルス電圧が印加されている時間であり、読み出し時間Ｔreadは、ボトムゲートライン４１にパルス電圧が印加されている時間であり、蓄電時間Ｔeは、トップゲートライン４４へのパルス電圧の印加停止時からボトムゲートライン４１へのパルス電圧の印加開始時までの時間である。

図９に示すように、制御信号φpgは、センサ検出モードＭ２において何れの行の蓄電時間Ｔeの間においてハイレベルになる振幅信号である。制御信号φpgがハイレベルになることによってプリチャージスイッチ８２がオンになり、プリチャージ電圧Ｖpgが全てのドレインライン４３，４３，…に印加される。制御信号φpgがローレベルの場合には、プリチャージスイッチ８２がオフであるから、何れのドレインライン４３，４３，…にもプリチャージ電圧Ｖpgが印加されない。図９において、プリチャージ時間Ｔprchは、制御信号φpgがハイレベルになっている時間である。

コラムスイッチ８１はプリチャージ電圧Ｖpgの印加後にドレインライン４３，４３，…の電圧を列順次にアンプ８３に出力する。アンプによって増幅された電圧がＡ／Ｄコンバータ７８によってデジタルの画像信号に変換され、そのＡ／Ｄ変換された画像信号がコントローラ７１に入力される。

コントローラ７１は励起光照射装置７３を点灯させる機能を有する。励起光照射装置７３は、後述する蛍光体を励起する励起光を生体高分子分析チップ１に照射するものである。
コントローラ７１は入力した二次元の画像データに従った画像を出力装置７２に出力させる機能を有する。出力装置７２はプロッタ、プリンタ又はディスプレイである。
コントローラ７１がペルチェ素子１２をコントロールすることによって、ペルチェ素子１２を加熱状態にしたり冷却状態にしたり、ペルチェ素子１２の加熱又は冷却を停止したりする。

〔８〕生体高分子分析方法、生体高分子分析チップの制御方法、分析装置の動作
次に、生体高分子分析装置７０を用いて試料を分析する方法について説明する。

上記生体高分子分析チップ１で分析する試料としては、ＤＮＡを用いることができる。試料となるＤＮＡとしては、細胞検体内で発現しているｍＲＮＡを抽出し、逆転写酵素を用いるＲＴ−ＰＣＲ反応により得られたｃＤＮＡを用いることができる。ｃＤＮＡは蛍光体で標識する。蛍光体は、分析装置の励起光照射装置から出射される励起光で励起されるものであってその励起光によって蛍光を発するものを選択するが、蛍光体としては、例えばＣｙＤｙｅのＣｙ２（アマシャム社製）がある。

ｃＤＮＡを蛍光体で標識するには、例えば、蛍光体で標識されたオリゴｄＴプライマや、標識されたｄＮＴＰミックスを用いてＲＴ−ＰＣＲ反応を実施すればよい。以下では、この標識されたｃＤＮＡを蛍光標識ＤＮＡという。

次に、生体高分子分析チップ１をセッティングし、固体撮像デバイス１０を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に接続し、ペルチェ素子１２をコントローラ７１に接続し、励起光照射装置７３を固体撮像デバイス１０の受光面に対向させる。

次に、図１０に示すように、コントローラ７１がペルチェ素子１２を発熱させて、ペルチェ素子１２により固体撮像デバイス１０が加熱される。
その加熱状態で、作業者が、蛍光体６４で標識した蛍光標識ＤＮＡ６２を含有した溶液（以下、蛍光標識ＤＮＡ溶液という）をウェル５２内に注入する。ウェル５２に注入された蛍光標識ＤＮＡ溶液が、ペルチェ素子１２によって７５℃程度に加熱されていることが好ましい。蛍光標識ＤＮＡ溶液が常温より高く加熱されると、蛍光標識ＤＮＡ６２及びプローブＤＮＡ６１が一本鎖となる。

次に、コントローラ７１がトップゲートドライバ７４及びボトムゲートドライバ７５に制御信号φchmを出力され、その制御信号φchmがハイレベルになる。すると、トップゲートドライバ７４及びボトムゲートドライバ７５がターゲット移動モードＭ１で動作する。即ち、図８に示すように、制御信号φchmがハイレベルである間、トップゲートドライバ７４が正の電圧をトップゲートライン４４，４４，…のうちの少なくとも一本に対して所定時間だけ印加し、その電圧のレベルを変化させる。

ターゲット移動モードＭ１における蛍光標識ＤＮＡ６２の動きを図１０〜図１１の模式図を用いて説明する。図１０に示すように、トップゲートライン４４，４４，…に正電圧が印加されていない場合には、蛍光標識ＤＮＡ６２が固体撮像デバイス１０の受光面上の溶液中において浮遊している。その後、図１１に示すように、制御信号φchmがハイレベルになって、トップゲートライン４４，４４，…のうち正電圧が印加された行に負電荷を帯電している蛍光標識ＤＮＡ６２が誘引される。正電圧が印加された行にはスポット６０があり、そのスポット６０の周辺では、蛍光標識ＤＮＡ６２の濃度が濃縮する。そのため、蛍光標識ＤＮＡ６２がそのスポット６０のプローブＤＮＡ６１に短時間でハイブリダイゼーションしやすくなる。

また、コントローラ７１がハイレベルの制御信号φchmを出力している時に、つまり、ターゲット移動モードＭ１の間に、コントローラ７１がペルチェ素子１２の電圧の極性を変えてペルチェ素子１２に吸熱させる。これにより、固体撮像デバイス１０及び蛍光標識ＤＮＡ溶液が冷却される。ウェル５２に注入された蛍光標識ＤＮＡ溶液が、ペルチェ素子１２によって２５℃程度に冷却されることが好ましい。蛍光標識ＤＮＡ溶液が常温まで冷却されると、ハイブリダイゼーションしやすくなり、電極上で二本鎖となる。

以上のように、スポット６０に蛍光標識ＤＮＡ６２が密集し、蛍光標識ＤＮＡ溶液が冷却されると、蛍光標識ＤＮＡ６２がそのスポット６０のプローブＤＮＡ６１と相補的であれば、蛍光標識ＤＮＡ６２がそのプローブＤＮＡ６１にハイブリダイゼーションし、ハイブリダイゼーションの効率が良くなる。一方、プローブＤＮＡ６１と相補的ではない蛍光標識ＤＮＡ６２は、そのスポット６０には結合しない。

また、ターゲット移動モードＭ１の間においてトップゲートライン４４に印加された正電圧を任意に設定することができるので、そのトップゲートライン４４の電触を抑えることができる。つまり、トップゲートライン４４にローレベル時とハイレベル時で＋３０Ｖ以上の差がある正の高電圧が印加され続けると、表面に存する蛍光標識ＤＮＡ溶液等が保護絶縁膜３２のスルーホールを通じてトップゲートライン４４に浸透し、トップゲートライン４４が電触する恐れがあるが、本実施形態においてはトップゲートライン４４の正電圧をローレベル時とハイレベル時の電位差が＋３０Ｖ未満の範囲で可変であるように設定することで、そのトップゲートライン４４の電触を抑えることができる。特にトップゲートライン４４の正電圧を１Ｖ以上３Ｖ以下（ローレベル時との電位差が＋１６Ｖ以上＋１８Ｖ以下）に設定することが好ましい。また、電圧の上げ下げを急激に行わず段階的に行うことによって、ターゲットの移動を妨げることなく電触を抑制することができる。例えば本実施形態では１段階目を−１．５Ｖ、２段階目を１．５Ｖに設定している。

次に、コントローラ７１が制御信号φchmをローレベルにしてトップゲートライン４４の正電圧印加を止めるとともに、ペルチェ素子１２を発熱させる。これにより、図１２に示すように、プローブＤＮＡ６１に結合していない蛍光標識ＤＮＡ６２が溶液中に浮遊する。この時、ウェル５２に注入された蛍光標識ＤＮＡ溶液が、ペルチェ素子１２によってプローブＤＮＡ６１の解離温度まで加熱することが好ましい。ここでいうプローブＤＮＡ６１の解離温度とは、ミスハイブリダイズしており不安定である二本鎖は切れて一本鎖になり、ハイブリダイズが正しく行われており安定である二本鎖は二本鎖のままでいられる温度をさす。解離温度はＤＮＡ塩基配列特有であるが、２５℃以上７５℃未満の範囲であり、同定するＤＮＡ塩基配列によって任意に設定することができる。

以上のように、制御信号φchmをローレベルにしてトップゲートライン４４の正電圧印加を止め、蛍光標識ＤＮＡ６２が解離温度まで加熱されると、正常な二本鎖を形成したもの以外のＤＮＡを電極周辺から分離、移動させることができる。

その後、ウェル５２内の蛍光標識ＤＮＡ溶液を洗浄用バッファー溶液で洗い流し、プローブＤＮＡ６１とハイブリダイズしなかった蛍光標識ＤＮＡ６２をウェル５２内から除去する。一方、プローブＤＮＡ６１とハイブリダイズした蛍光標識ＤＮＡ６２は、そのプローブＤＮＡ６１に結合した状態でウェル５２内に残存する。

その後、コントローラ７１が励起光照射装置７３を制御して励起光照射装置７３を点灯させると、励起光照射装置７３から固体撮像デバイス１０の受光面に向けて励起光が出射する。

スポット６０，６０，…のうち蛍光標識ＤＮＡ６２とハイブリダイゼーションしたスポット６０からは蛍光（主に可視光波長域）が発し、蛍光標識ＤＮＡ６２と結合しなかったスポット６０からは蛍光が発しない。そのため、蛍光標識ＤＮＡ６２と結合したスポット６０に対応したフォトセンサ２０には高強度の蛍光が入射し、蛍光標識ＤＮＡ６２と結合していないスポット６０に対応したフォトセンサ２０には殆ど蛍光が入射しない。また、スポット６０に対応していないフォトセンサ２０にも蛍光が入射しない。固体撮像デバイス１０の受光面にスポット６０，６０，…が固定されているため、蛍光標識ＤＮＡ６２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に対応したフォトセンサ２０に入射して電子−正孔対を発生させる。従って、フォトセンサ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。

励起光照射装置７３が点灯した状態で、コントローラ７１が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に制御信号φtg、制御信号φbg、制御信号φpgをそれぞれ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、ドレインドライバ７６が固体撮像デバイス１０を駆動する。このとき、制御信号φchmがローレベルであるので、センサ検出モードＭ２である。

センサ検出モードＭ２においては、図８に示すように、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から行順次にトップゲートライン４４，４４，…に対してパルス電圧を印加する。また、ボトムゲートドライバ７５が１行目のボトムゲートライン４１から行順次にボトムゲートライン４１，４１，４１，…に対してパルス電圧を印加する。

各行のプリチャージ時間Ｔprch中においては、ドレインドライバ７６のプリチャージスイッチ８２に入力される制御信号φpgがハイレベルになるので、各行のプリチャージ時間Ｔprch中には、プリチャージ電圧Ｖpgが全てのドレインライン４３，４３，…に印加される。

ｉ行目の各フォトセンサ２０の動作について詳細に説明する。図９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にパルス電圧を印加する。そのｉ行目のリセット時間Ｔresetにおいては、ｉ行目の各フォトセンサ２０の半導体膜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３１の電圧により反発して吐出される。

ｉ行目のトップゲートライン４４に対するパルス電圧の印加が終了してから、ｉ行目のボトムゲートライン４１にパルス電圧が印加されるまでの蓄電時間Ｔeでは、入射光の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３１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、蓄電時間Ｔeの後半のプリチャージ時間Ｔprch中に、ドレインドライバ７６が全てのドレインライン４３，４３，…にプリチャージ電圧Ｖpgを印加する。プリチャージ時間Ｔprchでは、ｉ行目の各フォトセンサ２０のトップゲート電極３１の電圧が負電圧（−１５〔Ｖ〕）であり、ボトムゲート電極２１の電圧が±０〔Ｖ〕であるため、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−ソース間電圧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。プリチャージ時間Ｔprch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，…に印加されたプリチャージ電圧Ｖpgによってｉ行目の各フォトセンサ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によるプリチャージ電圧Ｖpgの印加が終了し、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にパルス電圧を印加する。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にパルス電圧を印加している読み出し時間Ｔreadでは、ｉ行目の各フォトセンサ２０のボトムゲート電極２１の電圧が正電圧（＋１０〔Ｖ〕）であるため、ｉ行目の各フォトセンサ２０がオン状態になる。

読み出し時間Ｔreadにおいては、蓄電時間Ｔeにおいて蓄積されたキャリアがトップゲート電極３１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にキャリアの働きに伴った電流が流れるようになる。従って、読み出し時間Ｔread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、蓄電時間Ｔe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、半導体膜２３に入射した光量に応じて生じ、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、読み出し時間Ｔreadにおいてドレイン電極２８からソース電極２７に流れる電流も大きくなる。従って、読み出し時間Ｔreadにおけるドレインライン４３，４３，…の電圧の変化傾向は、蓄電時間Ｔeで半導体膜２３に入射した光量に依存する。即ち、蓄電時間Ｔe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、読み出し時間Ｔreadにおけるドレインライン４３，４３，…の電圧の変化速度が大きくなる。そのため、ｉ行目の読み出し時間Ｔreadから次の（ｉ＋１）行目のプリチャージ時間Ｔprchまでの間に、コラムスイッチ８１、読み出し時間Ｔreadが開始してから所定の時間経過後におけるドレインライン４３，４３，…の電圧がコラムスイッチ８１によって列順次にアンプ８３に出力されて、アンプ８３によって増幅され、更にＡ／Ｄコンバータ７８によってＡ／Ｄ変換される。これにより、光の強度に換算される。なお、ｉ行目の読み出し時間Ｔreadから次の（ｉ＋１）行目のプリチャージ時間Ｔprchまでの間に、コラムスイッチ８１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。

上述した一連の画像読み取り動作を１サイクルとして、全ての行の各フォトセンサ２０にも同等の処理手順を繰り返すことにより、固体撮像デバイス１０がフォトセンサ２０，２０，…のそれぞれで光量を検知し、受光面に沿った光強度分布を二次元の画像として取得する。コントローラ７１は、固体撮像デバイス１０で取得された画像を入力し、その画像を出力装置７２に出力する。そして、コントローラ７１の処理が終了する。

作業者は、出力装置７２により出力された画像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蛍光標識ＤＮＡの塩基配列を特定する。即ち、蛍光標識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蛍光標識ＤＮＡの塩基配列を特定することができる。

以上のように、本実施形態によれば、ターゲット移動モードＭ１において、トップゲートライン４４，４４，…に正電圧を印加するだけで、蛍光標識ＤＮＡが固体撮像デバイス１０の表面の各スポット６０に移動して濃縮するから、蛍光標識ＤＮＡを移動させるための電極を固体撮像デバイス１０に別途設けなくても済む。

また、固体撮像デバイス１０の受光面上にスポット６０，６０，…が点在しているから、固体撮像デバイス１０で撮像を行うだけで二次元の画像が得られる。更に、生体高分子分析装置７０にレンズを設けなくとも、固体撮像デバイス１０で鮮明な像を得ることができるので、生体高分子分析装置７０をシンプルな構造にすることができる。更に、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１０の受光面に入射するので、固体撮像デバイス１０の感度が高くなくても済む。

＜変形例１＞
図１４に示すように、隔壁５１のうち対向する部分にそれぞれ電極１５１，１５２を設け、電極１５１，１５２を対向させても良い。この場合、ターゲット移動モードＭ１において、電極１５１の電圧を電極１５２の電圧よりも高くし、蛍光標識ＤＮＡ溶液に電界を発生させると、蛍光標識ＤＮＡ溶液中の蛍光標識ＤＮＡ６２が電極１５２に向かって泳動する。

＜変形例２＞
図１５に示すように、固体撮像デバイス１０の受光面に対向させるように補助電極１５３を設けても良い。この場合、センサ検出用としての印加電圧値、電圧印加時間の制限を課すことなく、より高速な蛍光標識ＤＮＡ６２の移動を行える。例えば、センサ検出モードＭ２において補助電極１５３に電圧を印加することによって、センサ検出モードＭ２においても蛍光標識ＤＮＡ６２の移動を行える。

＜変形例３＞
図１６に示すように、平面視してトップゲートライン４４と直交する複数の補助電極１５４を保護絶縁膜３２と励起光吸収層３３との間に設けても良い。ターゲット移動モードＭ１においてこれらの補助電極１５４に対して選択的に正電圧を印加することによって、蛍光標識ＤＮＡ６２をトップゲートライン４４の方向にもトップゲートライン４４の垂直方向にも移動させることができる。

＜変形例４＞
スポット６０は、プローブＤＮＡ６１からなるものであったが、プローブ抗体からなるものでも良い。プローブ抗体としては、検出する既知のタンパク質や糖鎖等の抗原と結合する抗体（以下、プローブ抗体という）を用い、例えばモノクローナル抗体を用いることができる。
なお、スポット６０のプローブとして、その他の既知の生体高分子や低分子等を用いてもよい。例えば、抗原となるペプチドやタンパク、糖鎖、低分子リガンド、既知の細胞等を用いてもよい。

図１は、本発明の実施形態における生体高分子分析装置に用いられる生体高分子分析チップを示した斜視図である。 図２は、上記生体高分子分析チップを示した平面図である。 図３は、III−IIIに沿った面の概略断面図である。 図４は、上記生体高分子分析チップにおける１画素の光電変換素子を示した平面図である。 図５は、図４のV−V矢視断面図である。 図６は、上記生体高分子分析チップを用いた生体高分子分析装置の構成を示したブロック図である。 図７は、上記生体高分子分析チップ及びその周辺回路を示した図面である。 図８は、上記生体高分子分析チップを駆動するための信号の推移のタイミングチャートである。 図９は、ある行における信号の電圧の推移を示したタイミングチャートである。 図１０は、蛍光標識ＤＮＡとプローブＤＮＡをハイブリダイゼーションさせる方法についての説明図である。 図１１は、蛍光標識ＤＮＡとプローブＤＮＡをハイブリダイゼーションさせる方法についての説明図である。 図１２は、蛍光標識ＤＮＡとプローブＤＮＡをハイブリダイゼーションさせる方法についての説明図である。 図１３は、上記生体高分子分析チップに励起光を照射した状態における説明図である。 図１４は、変形例における生体高分子分析チップを示した断面図である。 図１５は、変形例における生体高分子分析チップを示した断面図である。 図１６は、変形例における生体高分子分析チップを示した断面図である。

符号の説明

１０ 固体撮像デバイス
１２ ペルチェ素子
１７ 絶縁基板
２３ 半導体膜
３２ 保護絶縁膜
４１ ボトムゲートライン
４４ トップゲートライン
６０ スポット
７０ 生体高分子分析装置
７４ トップゲートドライバ
７５ ボトムゲートドライバ

Claims (5)

1. 半導体膜、光透過性の第一ゲート電極を有するフォトセンサを備えた固体撮像デバイスにおいて、
   前記第一ゲート電極は、センサ検出モードでは、前記半導体膜に入射した光量に応じて生じるキャリアを蓄積するために第一電圧を印加され、
   ターゲット移動モードでは、電荷を帯電した生体高分子を誘引するために前記第一電圧に対して電位差が＋３０Ｖ未満の範囲で可変である第二電圧を印加されること、
   を特徴とする生体高分子分析装置。
2. 前記フォトセンサは第二ゲート電極を備え、
   前記センサ検出モードにおいて、前記第一ゲート電極に前記第一電圧を印加したのち、所定時間を経て、前記キャリアの働きに伴った電流を流すために前記第二ゲート電極に第三電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の生体高分子分析装置。
3. 前記固体撮像デバイスを加熱・冷却する加熱冷却素子を更に備え、
   前記第一ゲート電極に前記第二電圧が印加される前に、前記加熱冷却素子が前記固体撮像デバイスを加熱し、
   前記第一ゲート電極に前記第二電圧が印加されている時に、前記加熱冷却素子が前記固体撮像デバイスを冷却し、
   前記第一ゲート電極に前記第二電圧が印加された後、前記加熱冷却素子が前記固体撮像デバイスを加熱することを特徴とする請求項１または２に記載の生体高分子分析装置。
4. 前記第一ゲート電極に前記第二電圧が印加された後、前記加熱冷却素子が前記固体撮像デバイスを加熱する温度は、前記スポットの受光面上に固定されたプローブとミスハイブリダイズした生体高分子を解離する解離温度であることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の生体高分子分析装置。
5. 半導体膜、光透過性の第一ゲート電極を有するフォトセンサを備えた固体撮像デバイスにおいて、
   前記第一ゲート電極に、センサ検出モードでは、前記半導体膜に入射した光量に応じて生じるキャリアを蓄積するために第一電圧を印加し、
   ターゲット移動モードでは、電荷を帯電した生体高分子を誘引するために前記第一電圧に対して電位差が＋３０Ｖ未満の範囲で可変である第二電圧を印加すること、
   を特徴とする生体高分子分析方法。

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