JP2009036777A - 蛍光検出チップ - Google Patents

Abstract

【課題】光の強度の差によるスポット同士間でのコントラストを明確にする。
【解決手段】本発明に係る蛍光検出チップとしてのＤＮＡチップ４は、表面にプローブがスポット２として固定され、撮像デバイス３の表面側から励起光が照射されるものである。照射された励起光は、撮像デバイス３内を通過するように伝播して撮像デバイス３の裏面に入射するが、撮像デバイス３の裏面側には再入射抑止部材が設けられているので、当該励起光が光電変換素子に再度入射するのを抑止できる。
【選択図】 図１３

Description

本発明は、蛍光物質が標識された検体の生体分子とチップ上に固定されたプローブとがハイブリダイゼーションしたときに、プローブとハイブリダイゼーションした検体の生体分子から発された蛍光を検出する蛍光検出チップに関する。

ＤＮＡ（DeoxyriboNucleic Acid）チップ、蛋白質チップその他のバイオチップは検体の生物学的性質を特定するのに非常に重要な役割を担っており、今日ではＨＩＶ（Human Immunodeficiency Virus）や癌の研究分野にも応用されている。そのようなバイオチップを用いた生体分子検出装置の例が特許文献１に開示されている。特許文献１では、バイオチップが複数の領域に分割され、各領域に互いに異なる貴金属微粒子とプローブ（互いに異なるＤＮＡや蛋白質など）が配されている（段落番号０００４後半，図４参照）。そして、このようなバイオチップ上でプローブと生体分子との特異的結合反応（ハイブリダイゼーション）をおこなってからそのバイオチップを光学測定装置に設置し、当該バイオチップ上で光学検出ヘッドを走査してその光学特性を検出し、検体の生物学的性質を特定しようとしている（段落番号０００５実施例１，図５参照）。

しかしながら、特許文献１に開示されたバイオチップでは、プローブと検体の生体分子とのハイブリダイゼーションをおこなった後に、バイオチップ上を光学検出ヘッドで走査しなければならないため、その走査操作に時間・手間が掛かり、当該走査操作に精度も要求される。

そこでそのような不都合を解消するため、本出願人は、文献公知の発明ではないが、マトリクス状に配置した複数の光電変換素子（光学的センサ）上にプローブをスポットとしてそれぞれ配置したバイオチップを開発している。このバイオチップによれば、蛍光物質を標識した検体の生体分子と各スポットのプローブとをハイブリダイゼーションさせてから励起光を照射すると、プローブとハイブリダイゼーションした検体の生体分子の蛍光物質から蛍光が発されるので、その蛍光を発したスポットの直下の光電変換素子で当該蛍光を検出することができる。そのため、上記のように、光学検出ヘッドによる走査操作は不要であり、光電変換素子による検出結果から容易かつ迅速に検体の生物学的性質を特定することができる。
特開２００２−２２８６６２号公報（図４，図５参照）

本出願人の開発したバイオチップでは、蛍光物質から発された蛍光の波長域に対して受光感度を高く設定しているが、この蛍光の波長域と照射した励起光の波長域とが近似しすぎていると、検体の生体分子とハイブリダイゼーションしたプローブを含むスポットと、そうでないスポット（検体の生体分子とハイブリダイゼーションしなかったプローブを含むスポット）とで、各光電変換素子に入射する光の受光感度の差が明確に現れない場合があり、その結果、検体の生物学的性質を正確に特定することができない可能性がある。
本発明の目的は、各光電変換素子に入射する光の強度の差を明確にすることである。

上記課題を解決するため請求項１に記載の発明の蛍光検出チップは、
表面側にプローブがスポットとして固定され、複数の光電変換素子を有する撮像デバイスと、
前記撮像デバイスの裏面側に設けられ、前記撮像デバイスの表面側から入射した励起光が前記光電変換素子に再度入射するのを抑止する再入射抑止部材と、
を備えることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載の蛍光検出チップにおいて、
前記撮像デバイスは、透明基板の表面上に互いに離間して配置され、前記励起光に対して遮光性のボトムゲート電極、光に感度を示す半導体膜、光透過性のトップゲート電極がこの順に積層されてなる複数の光電変換素子を備えることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、
請求項１又は２に記載の蛍光検出チップにおいて、
前記再入射抑止部材は、前記撮像デバイスの受光面に対して傾斜した反射面を有していることを特徴としている。

請求項１に記載の発明では、撮像デバイスの表面側から照射された励起光は、撮像デバイス内を通過するように伝播して撮像デバイスの裏面に入射するが、撮像デバイスの裏面側には再入射抑止部材が設けられているので、当該励起光が光電変換素子に再度入射するのを抑止できる。そのため、蛍光物質を標識した検体の生体分子とスポットのプローブとをハイブリダイゼーションさせて励起光を照射すると、励起光が光電変換素子に再度入射するのが抑止され、蛍光の光量と励起光の光量のＳ／Ｎ比を高くすることができる。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。
なお、下記実施形態では、本発明に係る蛍光検出チップをＤＮＡチップに適用した例を主に開示している。

［第１の実施の形態］
図１は塩基配列特定支援システム１の概略構成を示す斜視図である。
図１に示すように、塩基配列特定支援システム１は、予め塩基配列が特定されたＤＮＡ溶液（以下「プローブ」という。）をスポット２としてダブルゲートトランジスタアレイチップ３の表面上に点在させたＤＮＡチップ４と、ＤＮＡチップ４の裏面（底面）から紫外線を励起光として照射する光源５と、ＤＮＡチップ４による検出結果を解析・分析するコンピュータ６とを、有している。

図２はダブルゲートトランジスタアレイチップ３の等価回路を示す回路図である。
図２に示すように、ダブルゲートトランジスタアレイチップ３は、複数のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…を透明基板３５（図４参照）上にマトリクス状に配列したものである。各ダブルゲートトランジスタ２０は一画素を構成する光電変換素子であり、透明基板３５は光透過性及び絶縁性を有し、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（polymethyl methacrylate）等といったプラスチック基板である。

図３はダブルゲートトランジスタ２０の電極構造を示した平面図であり、図４は図３のＩ−Ｉ断面図である。
図３及び図４に示すように、ダブルゲートトランジスタ２０，２０，…はそれぞれ、透明基板３５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、具備している。

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３５上に形成されている。また、図２に示すように、透明基板３５上には縦方向（列方向）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、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，…の何れのボトムゲート電極２１も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。

図３及び図４に示すように、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。各不純物半導体膜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、図２に示すように、横方向（行方向）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。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，…の何れのソース電極２７も共通のソースライン４２と一体に形成されており、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，…の何れのドレイン電極２８も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。

図３及び図４に示すように、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、図２に示すように、トップゲート絶縁膜２９上には縦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、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，…の何れのトップゲート電極３０も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。

図３及び図４に示すように、保護層としての保護絶縁層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ダブルゲートトランジスタアレイチップ３は、保護絶縁層３１の表面を受光面としており、各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。ダブルゲートトランジスタアレイチップ３の受光面上には導電体層３２及びオーバーコート層３３がこの順に積層され、オーバーコート層３３上にスポット２が固定されている。

保護絶縁層３１上に形成された導電体層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２をダブルゲートトランジスタアレイチップ３の受光面に固定したりするものである。

ここで、図５にＤＮＡチップ４の平面図を示す。図５に示すように、複数のスポット２，２，…は各ダブルゲートトランジスタ２０の間の位置に等間隔をあけた状態でそれぞれ配置されており、各スポット２に着目すると、各スポット２は４つのダブルゲートトランジスタ２０に囲まれたほぼ中心位置に配置されている。各スポット２は、平面視して、透明基板３５、ボトムゲート絶縁膜２２、トップゲート絶縁膜２９、トップゲート電極３０、保護絶縁層３１、導電体層３２及びオーバーコート層３３のいずれも光透過性を有する膜又は層が積層された構造上に配置されており、遮光性のボトムゲート電極２１、ソース電極２７、ドレイン電極２８、ボトムゲートライン４１、ソースライン４２及びドレインライン４３とは重ならない位置に配置されている。そのため、各スポット２は、光源５の励起光を遮光されない状態で受光することができるようになっている。

図２に示すように、ダブルゲートトランジスタアレイチップ３には、各ダブルゲートトランジスタ２０を駆動させる駆動回路７０が内蔵されている。駆動回路７０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から構成されている。

ダブルゲートトランジスタアレイチップ３のトップゲートライン４４，４４，…はトップゲートドライバ７４の端子にそれぞれ接続されている。ダブルゲートトランジスタアレイチップ３のボトムゲートライン４１，４１，…はボトムゲートドライバ７５の端子にそれぞれ接続されている。ダブルゲートトランジスタアレイチップ３のドレインライン４３，４３，…はドレインドライバ７６の端子にそれぞれ接続されている。また、ダブルゲートトランジスタアレイチップ３のソースライン４２，４２，…は一定電圧源に接続され、この例では接地されている。

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、図６のタイミングチャートに示すように、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が任意の列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が同じ列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、各列では、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、任意の列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、同じ列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、その列の選択期間である。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、それぞれの列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パラレル式のドレインライン４３，４３，…の電圧を増幅し、ドレインライン４３，４３，…の増幅電圧を順次シリアル式でコンピュータ６に出力するようになっている。

このようにダブルゲートトランジスタアレイチップ３は、各ダブルゲートトランジスタ２０をマトリクス状に配置した基板と駆動回路７０とを一体的に形成した駆動回路付撮像デバイスであり、塩基配列特定支援システム１においては光源５の照射範囲内の所定位置に設置されるようになっている。また光源５は、励起光がダブルゲートトランジスタアレイチップ３の表面に対して全反射しにくい角度で入射するよう設置されている。そしてダブルゲートトランジスタアレイチップ３上に複数のスポット２を固定したＤＮＡチップ４は、塩基配列特定支援システム１において光源５の照射範囲内の所定位置から取替え自在に設置されている。またＤＮＡチップ４は消耗品であり、検体遺伝子を滴下させて以下に説明する動作が完了した使用済みのＤＮＡチップ４を新たなＤＮＡチップ４に交換して用いられる。光源５の照射範囲内にＤＮＡチップ４が設置された場合、ダブルゲートトランジスタアレイチップ３の受光面が光源５に対して相対し、更に、駆動回路７０がコンピュータ６に接続される。

図７はコンピュータ６の回路構成を示すブロック図である。
図７に示すように、コンピュータ６はＣＰＵ（Central Processing Unit）７，ＲＯＭ（Read Only Memory）８，ＲＡＭ（Random Access Memory）９などから構成されている。ＣＰＵ７は、ＲＯＭ８に記録されたプログラムをＲＡＭ９に展開してそのプログラムにしたがう処理を実行するようになっている。具体的にコンピュータ６にはＤＮＡチップ４の駆動回路７０及び光源５が接続されており、コンピュータ６のＣＰＵ７は、ＲＡＭ９を作業領域としてＲＯＭ８のプログラムにしたがう処理を実行してＤＮＡチップ４の駆動回路７０及び光源５を制御し、ＤＮＡチップ４の各ダブルゲートトランジスタ２０で受光した光量に応じた画像をモニタ（図１参照）に表示させるようになっている。

次に、塩基配列特定支援システム１の作用について説明する。
始めに、ＤＮＡチップ４を塩基配列特定支援システム１の所定位置に設置する前に、作業者は、ＰＣＲ（Polymerase Chain Reaction）増幅後に蛍光物質が標識された検体遺伝子（検体のＤＮＡ）をＤＮＡチップ４の各スポット２に滴下して、その検体遺伝子と既知の一本鎖ＤＮＡの集合体である各スポット２のプローブとがハイブリダイゼーションを引き起こすことができるように温度制御や検体遺伝子の電気泳動を適宜行う。ハイブリダイゼーションが完了するように動作完了したら、作業者は、ＤＮＡチップ４の複数のスポット２，２，…を点在させた面を洗浄する。この状態において、スポット２のプローブのうち検体遺伝子に対し相補性を有する塩基配列のものがあれば、検体遺伝子はそのプローブと結合し、相補性を有しないスポット２のプローブでは、検体遺伝子はそのプローブとは結合せずにＤＮＡチップ４上から洗い流されている。

その後、作業者は、ＤＮＡチップ４のダブルゲートトランジスタアレイチップ３の受光面を光源５に対向させ、各スポット２のプローブと検体遺伝子とのハイブリダイゼーション工程をおこなわせたＤＮＡチップ４を塩基配列特定支援システム１の所定位置に設置し、ＤＮＡチップ４の駆動回路７０とコンピュータ６とを接続する。この状態において、作業者がコンピュータ６を起動すると、コンピュータ６は、ＣＰＵ７がＲＯＭ８からプログラムを読み出してそのプログラムにしたがう処理をおこなう。

具体的には、ＣＰＵ７が光源５を制御して光源５を点灯させ、ダブルゲートトランジスタアレイチップ３の裏面から励起光を照射する。光源５から出射された励起光は、ダブルゲートトランジスタアレイチップ３の透明基板３５に入射し、その後透明基板３５上に積層された各層を透過して各スポット２に入射する。これにより、複数のスポット２，２，…のうち、検体遺伝子とプローブとがハイブリダイゼーションしたスポット２があれば、検体遺伝子に標識された蛍光物質から蛍光（主に可視光）が放射状に発され、検体遺伝子がプローブとハイブリダイゼーションしなかったスポット２では蛍光が発しない。そのため、検体遺伝子とプローブとがハイブリダイゼーションしたスポット２の近傍の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、検体遺伝子とプローブとがハイブリダイゼーションしなかったスポット２の近傍のダブルゲートトランジスタ２０には蛍光がほとんど入射しない。

次に、ＣＰＵ７が駆動回路７０（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。すると、駆動回路７０がダブルゲートトランジスタアレイチップ３を駆動し、ダブルゲートトランジスタアレイチップ３が撮像動作をおこなう。これにより、ダブルゲートトランジスタアレイチップ３がダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれで光量を検知し、ドレインドライバ７６がダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のそれぞれの光量を増幅電圧としてコンピュータ６に順次出力する。

駆動回路７０の動作について説明する。ＣＰＵ７がトップゲートドライバ７４を制御すると、トップゲートドライバ７４がトップゲートライン４４，４４，…に順次リセットパルスを出力する。また、ＣＰＵ７がボトムゲートドライバ７５を制御すると、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、ＣＰＵ７がドレインドライバ７６を制御すると、ドレインドライバ７６が、各列（図２中縦方向のライン）でリセットパルスが出力されているリセット期間と各列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。

任意の列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。ダブルゲートトランジスタアレイチップ３においてダブルゲートトランジスタ２０，２０，…がｍ列（ｍ＞１）存在してそのｋ列目（１＜ｋ＜ｍ）に着目して説明すると、図６に示すように、トップゲートドライバ７４がｋ列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、ｋ列目のトップゲートライン４４がハイレベルになる。ｋ列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。）、ｋ列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ｋ列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。ｋ列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、ｋ列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（この期間を「プリチャージ期間」という。）では、ｋ列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ｋ列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ｋ列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ｋ列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、ｋ列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、ｋ列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、ドレインドライバ７６が、ｋ列目のリード期間から次の（ｋ＋１）列目のプリチャージ期間までの間に、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，…の電圧を検出する。これにより、ドレインライン４３，４３，…の光量が電圧に換算される。そして、ドレインドライバ７６は、パラレル式のドレインライン４３，４３，…の電圧を増幅し、ドレインライン４３，４３，…の増幅電圧を順次シリアル式でコンピュータ６に出力する。

上述したｋ列目の一連の処理を１サイクルとして、同じ処理が列ごとに順次繰り返される。これにより、全てのダブルゲートトランジスタ２０，２０，…の増幅電圧がコンピュータ６に順次出力される。

コンピュータ６は、ＣＰＵ７がドレインドライバ７６から順次入力された増幅電圧を画像データに変換する処理をおこない、ＤＮＡチップ４による検体遺伝子の検出結果を画像としてモニタに表示させる。これにより、作業者は、モニタに表示された当該画像から検体遺伝子の塩基配列を特定することができる。つまり、コンピュータ６のモニタに表示された画像においては、検体遺伝子とプローブとがハイブリダイゼーションしたスポット２に対応する部分が点状に明るく表示され、検体遺伝子がプローブとハイブリダイゼーションしなかったスポット２に対応する部分は暗く表示される。

以上の本第１の実施形態では、光源５から照射された励起光は、ダブルゲートトランジスタ２０が設けられている領域では、遮光性のボトムゲート電極２１によって遮光されるので、直接的に半導体膜２３に入射することはない。そして各ダブルゲートトランジスタ２０のあいだの位置に各スポット２が配置されているため（図５参照）、光源５から照射された励起光は、遮光性の層（ボトムゲート電極２１、ソース電極２７、ドレイン電極２８、ボトムゲートライン４１、ソースライン４２及びドレインライン４３）により遮光されずにダブルゲートトランジスタアレイチップ３間を通過するように各スポット２まで伝播する。

そのため、検体遺伝子とプローブとをハイブリダイゼーションさせて励起光を照射すると、検体遺伝子とハイブリダイゼーションしたプローブを含むスポット２からは強度の大きい蛍光が発される。このとき、スポット２での蛍光の伝播方向はランダムなために、その一部がチャネル保護膜２４、トップゲート絶縁膜２９、トップゲート電極３０、保護絶縁層３１、導電体層３２、オーバーコート層３３の間の界面で全反射を繰り返して半導体膜２３に入射する。これに対して、検体遺伝子とハイブリダイゼーションしなかったプローブを含むスポット２では、励起光がそのまま当該スポット２を素通りしてしまう。

これにより、各ダブルゲートトランジスタ２０に入射する光の強度は、蛍光では強く、励起光では弱くなり、その光の強度の差を明確にすることができ、ひいては各ダブルゲートトランジスタ２０の検出結果に起因するモニタ上での画像の蛍光と励起光とのコントラストの差を明確化することができる。

なお、本第１の実施形態では、ＤＮＡチップ４上において各スポット２を４つのダブルゲートトランジスタ２０のあいだのほぼ中心位置に配置した例を示した（図５参照）が、図８に示すように、ボトムゲートライン４１に沿う各ダブルゲートトランジスタ２０のあいだにスポット２をそれぞれ配置してもよいし、図９に示すように、ソースライン４２又はドレインライン４３に沿う各ダブルゲートトランジスタ２０のあいだにスポット２をそれぞれ配置してもよい。この場合にも、各スポット２は、各ダブルゲートトランジスタ２０上にスポット２を配置するよりも、光源５から励起光の照射を強く受けるため、検体遺伝子とプローブとがハイブリダイゼーションしたスポット２とそうでないスポット２とで、発される光の強度の差を明確化することができる。

［第２の実施の形態］
本第２の実施形態における塩基配列特定支援システム１は、上記第１の実施形態における塩基配列特定支援システム１とほぼ同様の構成を有している。したがって本第２の実施形態では、上記第１の実施形態で説明した構成要素に図１〜図９と同様の符号を付してその構成要素の詳細な説明を省略している。

本第２の実施形態における塩基配列特定支援システム１が第１の実施形態と異なるのは、下記の通りである。
第１に、図１０に示すように、光源５がＤＮＡチップ４の表面上に配置されており、光源５から照射される励起光が、ダブルゲートトランジスタアレイチップ３を透過せずにそのまま各スポット２に伝播するようになっている。

第２に、図１１に示すように、保護絶縁層３１上に励起光遮蔽層３４が積層され、励起光遮蔽層３４上に導電体層３２が積層されている。すなわち、保護絶縁層３１と導電体層３２とのあいだに励起光遮蔽層３４が介在している。励起光遮蔽層３４は酸化チタン（ＴｉＯ₂）からなり、励起光を遮蔽する性質を有し、可視光を透過する性質を有する。

第３に、図１２に示すように、各スポット２が、オーバーコート層３３（図４参照）の表面であってダブルゲートトランジスタ２０の直上に配置されている。

第４に、図１３に示すように、再入射抑止部材としての透明基板３５は、裏面３５ａがダブルゲートトランジスタアレイチップ３の受光面（保護絶縁層３１の表面）に対して傾斜した反射面になっている。これにより、ダブルゲートトランジスタアレイチップ３の内部を透過するように伝播した光（スポット２から発される蛍光や励起光遮蔽層３４を僅かに透過した励起光）を透明基板３５の裏面３５ａで反射させ、その光が各ダブルゲートトランジスタ２０に再入射するのを抑止するようになっている。
なお、透明基板３５の裏面３５ａは、図１３に示す構成に代えて、例えば図１４に示すように多数の反射面から構成されてもよい。

このような構成を備える本第２の実施形態の塩基配列特定支援システム１においては、上記第１の実施形態の場合とほぼ同様の手順・処理にしたがって、ＤＮＡチップ４による検体遺伝子の検出結果が画像としてコンピュータ６のモニタに表示され、作業者は、当該画像から検体遺伝子の塩基配列を特定することができるようになっている。

本第２の実施形態における塩基配列特定支援システム１が上記第１の実施形態における塩基配列特定支援システム１の作用と異なるのは、光源５から出射した励起光がＤＮＡチップ４の表面から入射する点である。すなわち、図１０に示すように、光源５がＤＮＡチップ４の表面上に配置されているため、光源５から出射した励起光のうちその一部は、大気中を伝播してそのまま各スポット２に入射し、それ以外は、ダブルゲートトランジスタアレイ３の表面上で各スポット２間を通過してダブルゲートトランジスタアレイチップ３内に入射し、その内部において励起光遮蔽層３４でその後の伝播が遮蔽される。

ここで、上記第１の実施形態の場合と同様に、各スポット２に励起光が入射すると、検体遺伝子とプローブとがハイブリダイゼーションしたスポット２では、検体遺伝子に標識された蛍光物質から蛍光が発され、そのスポット２の近傍のダブルゲートトランジスタ２０に高強度の蛍光が入射するが、検体遺伝子の蛍光物質から発された蛍光の一部や励起光遮蔽層３４を僅かに透過した励起光は、ダブルゲートトランジスタアレイチップ３を構成する各層を透過して透明基板３５の裏面３５ａで反射し、ダブルゲートトランジスタアレイチップ３の外部に出射されるようになっている。

以上の本第２の実施形態では、透明基板３５の裏面３５ａがダブルゲートトランジスタアレイチップ３の受光面に対して傾斜した反射面とされているため、光源５から照射された励起光は、透明基板３５の裏面３５ａで反射して各ダブルゲートトランジスタ２０に入射することなくダブルゲートトランジスタアレイチップ３の外部に出射される。これにより、ダブルゲートトランジスタアレイチップ３の外部に出射された励起光がダブルゲートトランジスタ２０に再度入射するのを抑止でき、ダブルゲートトランジスタ２０の励起光の検知光量に対する蛍光の検知光量の比率となるＳ／Ｎ比を高くすることができる。

なお、本第２の実施形態では、透明基板３５の裏面３５ａを反射面として（図１３及び図１４参照）ダブルゲートトランジスタアレイチップ３の内部を透過した励起光が各ダブルゲートトランジスタ２０に入射するのを抑止したが、このような構成に代えて、透明基板３５の表面（ボトムゲート電極２１などと接触する面）上又は裏面３５ａ上に光反射性のシートや光吸収性のシートなどを配してもよい。

また、本第１及び第２の各実施形態では、本発明に係る蛍光検出チップをＤＮＡチップ４に適用した例を開示したが、本発明に係る蛍光検出チップは、これのみに限定されず、蛋白質チップその他のバイオチップに適用されてもよい。

塩基配列特定支援システムの概略構成を示す図面である。 ダブルゲートトランジスタアレイチップの等価回路を示す回路図である。 ダブルゲートトランジスタの電極構造を示した平面図である。 図３のＩ−Ｉ断面図である。 ＤＮＡチップの平面図である。 ダブルゲートトランジスタアレイチップに出力される電気信号のレベル推移を示すタイミングチャートである。 コンピュータの回路構成を示すブロック図である。 図５のＤＮＡチップの変形例を示す図面である。 図５のＤＮＡチップの変形例を示す図面である。 第２の実施形態における塩基配列特定支援システムの概略構成を示す図面である。 第２の実施形態におけるダブルゲートトランジスタの積層構造を示す断面図である。 第２の実施形態におけるＤＮＡチップの平面図である。 第２の実施形態におけるＤＮＡチップの透明基板の一形態を示す側面図である。 図１３とは異なる透明基板の他形態を示す側面図である。

符号の説明

１ 塩基配列特定支援システム
２ スポット
３ ダブルゲートトランジスタアレイチップ（撮像デバイス）
４ ＤＮＡチップ（蛍光検出チップ）
５ 光源
６ コンピュータ
７ ＣＰＵ
８ ＲＯＭ
９ ＲＡＭ
２０ ダブルゲートトランジスタ（光電変換素子）
２１ ボトムゲート電極
２２ ボトムゲート絶縁膜
２３ 半導体膜
２４ チャネル保護膜
２５，２６ 不純物半導体膜
２７ ソース電極
２８ ドレイン電極
２９ トップゲート絶縁膜
３０ トップゲート電極
３１ 保護絶縁層（保護層）
３２ 導電体層
３３ オーバーコート層
３４ 励起光遮蔽層
３５ 透明基板
３５ａ 裏面
４１ ボトムゲートライン
４２ ソースライン
４３ ドレインライン
７０ 駆動回路
７４ トップゲートドライバ
７５ ボトムゲートドライバ
７６ ドレインドライバ

Claims (3)

1. 表面側にプローブがスポットとして固定され、複数の光電変換素子を有する撮像デバイスと、
   前記撮像デバイスの裏面側に設けられ、前記撮像デバイスの表面側から入射した励起光が前記光電変換素子に再度入射するのを抑止する再入射抑止部材と、
   を備えることを特徴とする蛍光検出チップ。
2. 前記撮像デバイスは、透明基板の表面上に互いに離間して配置され、前記励起光に対して遮光性のボトムゲート電極、光に感度を示す半導体膜、光透過性のトップゲート電極がこの順に積層されてなる複数の光電変換素子を備えることを特徴とする、請求項１に記載の蛍光検出チップ。
3. 前記再入射抑止部材は、前記撮像デバイスの受光面に対して傾斜した反射面を有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の蛍光検出チップ。

Images