JP2010256140A

JP2010256140A - 電気化学測定装置

Info

Publication number: JP2010256140A
Application number: JP2009105690A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hiraga; 隆平賀; Mineyuki Hattori; 峰之服部; Tadashi Terasaki; 正寺崎; Noritaka Yamamoto; 典孝山本; Kazuo Nakazato; 和郎中里; Shigeyasu Uno; 重康宇野
Original assignee: Nagoya University NUC; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Nagoya University NUC; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2029-04-23
Also published as: JP5540252B2

Abstract

【課題】オンチップＦＥＴを用い、オペアンプなしに精度の高い測定を行うことができ、スイッチのオンオフにより溶液系に影響を与えず測定が可能な電気化学測定装置を提供する。
【解決手段】ＦＥＴのゲート電極を作用極とし、対向極と参照極を備えた３極構造の電気化学測定装置であって、対向極とＦＥＴのソース電極との間に低周波電圧を印加して、ＦＥＴのゲート電極と対向極との間に電圧を印加させる電圧印加手段と、ＦＥＴのゲート電極と対向極の間に流れる変位電流を計測する変位電流計測手段とを備え、変位電流計測手段による測定結果にもとづいて電気化学測定を行うことを特徴とする電気化学測定装置。
【選択図】図８

Description

本発明は、電気化学測定をオンチップ（集積回路上）で高密度に行う電気化学測定装置に関するものである。

従来より、界面近傍の化学的な変化を観察したり、ＤＮＡや細胞膜の研究を行ったりするために電気化学測定技術を用いることは知られている。最近では、この電気化学測定を、オンチップ（集積回路上）で行うことの提案もなされている。

例えば、特許文献１は、検体中に含まれる標的核酸の濃度を定量的に分析する核酸濃度定量分析チップとこれを用いた核酸濃度定量分析技術を提案したものであり、試料の濃度等を、作用極、対向極、参照極を備えた３極方式の電気化学セルを用いて測定している。図１に特許文献１における電気化学分析のための集積回路を模式的に示す。図中、ＣＥが対向極、ＷＥが作用極、ＲＥが参照極である。特許文献１では３つのオペアンプを用いており、作用極ＷＥは、図示しない電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）のゲートに接続されている。また、測定は電位検出法を用いて行っている。

また、非特許文献１では、マイクロ流路型ＤＮＡセンサが提案されている。このＤＮＡセンサの信号処理部の要部を模式的に図２に示す。図中、ＣＥが対向極、ＷＥが作用極、ＲＥが参照極である。非特許文献１では２つのオペアンプを用いており、作用極ＷＥは、図示しない電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）のゲートに接続されている。また、測定は電位検出法を用いて行っている。

しかしながら、特許文献１や非特許文献１で使用するオペアンプは約１ｍｍ×１ｍｍ程度の大きな面積を占め、消費電力も大きく、またオンチップＦＥＴをそのまま使用しているので入力インピーダンスが大きいため、精度の高い測定が難しく、さらに各点での測定を並行して行うことができないという問題があった。

一方、非特許文献２では、ＤＮＡや蛋白質の検出・同定を行うためにＣＭＯＳを用いた８×８ピクセルの電気化学センサが提案されている。ここでも、対向極、作用極、参照極を備えた３極方式の化学電気セルを用いている。非特許文献２の電気化学センサのアレイ状に配置された検出電極からなるカラムを図３に示す。ここでは、カラムに沿った各部位に対応する検出電極のオンオフを順次切り替え、図中上方に設けられているオペアンプで電流を検出している。

ところが、非特許文献２の技術では、スイッチの切り替えにより、測定対象となる系に影響を与え、精度のよい測定が困難であった。

特開２００４−３０９４６２号公報

"Smart Microfluidic Electrochemical DNA sensors with Signal Processing circuits" Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No.5A, 2007, pp.3135-3138 "Optical and electrochemical dual-image CMOS sensor for on-chip biomolecular sensing applications", Sensors and Actuators A 135 (2007) 315-322

本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、オンチップＦＥＴを用い、オペアンプなしに精度の高い測定を行うことができ、スイッチのオンオフにより溶液系に影響を与えず測定が可能な電気化学測定装置を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、第１には、ＦＥＴのゲート電極を作用極とし、対向極と参照極を備えた３極構造の電気化学測定装置であって、対向極とＦＥＴのソース電極との間に低周波電圧を印加して、ＦＥＴのゲート電極と対向極との間に電圧を印加させる電圧印加手段と、ＦＥＴのゲート電極と対向極の間に流れる変位電流を計測する変位電流計測手段とを備え、変位電流計測手段による測定結果にもとづいて電気化学測定を行うことを特徴とする電気化学測定装置を提供する。

第２には、上記第１の発明において、ゲート絶縁抵抗を介して溶液に電圧分割分配して電圧印加するためにＦＥＴのゲート電極の面積を制御することにより、ゲート絶縁抵抗に比較して溶液のインピーダンスを大きくすることを特徴とする電気化学測定装置を提供する。

第３には、上記第１又は２の発明において、対向極と作用極の間のインピーダンスに近いインピーダンスを有する素子を作用極と接地極の間に設けたことを特徴とする電気化学測定装置を提供する。

第４には、上記第３の発明において、前記素子のインピーダンスが制御信号により可変であることを特徴とする電気化学測定装置を提供する。

本発明によれば、上記構成を採用したので、オンチップＦＥＴを用い、オペアンプなしに精度の高い測定を行うことができ、スイッチのオンオフにより溶液系に影響を与えず測定が可能な電気化学測定装置が提供可能となる。

特許文献１の電気化学分析のための集積回路を模式的に示す図である。非特許文献１の電気化学分析のための集積回路を模式的に示す図である。非特許文献２の電気化学センサのアレイ状に配置された検出電極からなるカラムを示す図である。ＦＥＴのゲート電極を作用極に接続し、溶液のインピーダンスＺを測定する場合の等価回路を示す図である。Ｖ_ｇ／Ｖ_ｒとＺ／Ｚ_ｇの関係を示すグラフである。容量系の等価回路を示す図である。ＦＥＴのゲートに高抵抗Ｒを並設した図である。ＦＥＴのゲートに可変の高抵抗Ｒを並設した図である。電圧印加手段及び変位電流計測手段の配置図である。ＦＥＴで高抵抗Ｒを形成した例を示す図である。弱反転領域の説明図である。基準電流源を複数組み込み、高抵抗Ｒを可変とした例を示す図である。変位電流を検出するセンサをペアのＦＥＴで構成した例を示す図である。スイッチト・キャパシタで高抵抗Ｒを形成した例を示す図である。作用極の電極面積を変化させた場合の分配電圧の測定例を示す図である。

以下、本発明の電気化学測定装置を実施形態に基づいて詳述する。

本発明の電気化学測定装置は、対向極ＣＥ、作用極ＷＥ、参照極ＲＥを備えた３極方式を用いる。そして作用極ＷＥにＦＥＴのゲートを接続する。

ＦＥＴのゲートを作用極ＲＥに接続し、溶液のインピーダンスＺを測定する場合の等価回路を図４に示す。ゲートの電圧をＶｇ、インピーダンスをＺｇとすると、数１のような関係になる。

ここでＶ_ｇ／Ｖ_ｒとＺ／Ｚ_ｇは図５のような関係となる。

したがって、溶液のインピーダンスＺを測るにはＺがＺ_ｇと同程度であることが必要である。

ＦＥＴのゲートは直流的にはインピーダンスは無限大であるが、交流的にはＺ_ｇ＝１／ｊωＣ_ｇで表される。溶液のインピーダンスはＺ＝１／ｊωＣで表される。したがって、次の関係が成り立つ。

ここで、容量系の等価回路としては図６の左側のように表され、溶液の容量Ｃとゲートの容量Ｃ_ｇを例示すると図６の右側のようになる。溶液のＣは３次元効果より平面キャパシタンスより大きくなるからＺｇ≫Ｚとなり、オンチップＦＥＴをそのまま用いたのでは、入力インピーダンスが大きすぎることがわかる。

そこで、本発明では、図７に示すようにＦＥＴのゲートに高抵抗Ｒを併設する。すなわち、対向極ＣＥと作用極ＷＥの間のインピーダンスに近いインピーダンスを有する素子を、作用極ＷＥと接地極の間に設ける。また、本発明では、図８に示すように、Ｖｇがほぼゼロとなるように高抵抗Ｒは可変となるように図示しない制御信号で制御できるようにする。これにより、高抵抗Ｒを用いて開放電位の測定を行う。上記の素子のインピーダンスは対向極ＣＥと作用極ＷＥの間のインピーダンスの２〜１０倍程度が適当である。

また、本発明では、図９に示すように、対向極ＣＥとＦＥＴのソース電極の間に低周波電圧を印加する電圧印加手段を設けるとともに、ＦＥＴのゲート極と対向極ＣＥの間に流れる変位電流を計測する変位電流計測手段を設ける。

また、本発明では、作用極ＷＥの電極面積を調整する（小さくする）ことにより、あるいは対向極ＣＥと作用極ＷＥとの間の距離を大きくすることにより、あるいは両者を組み合わせることにより、溶液のインピーダンスを大きくすることができる。

次に、実施例を述べる。

図１０は、ＦＥＴで高抵抗を形成した例である。対向極ＣＥには−１〜１Ｖの電圧Ｖ_ｒを印加され、作用極ＷＥに接続されるＦＥＴのゲートにはおよそ±３０ｍＶの電圧が印加されるようにする。また高抵抗を別のＦＥＴで形成し、線形領域（図１１の弱反転領域）で動作させるようにする。図１１に示すように制御信号である電流Ｉ_ｓを調整し、高抵抗Ｒを１ＭΩ〜１０ＧΩに可変できるようにする。

図１２は、基準電流源を複数組み込み、高抵抗Ｒを可変とした例である。電流はカレントミラーで繋ぎ、配線インピーダンス、閾値のばらつきの影響をなくするようにしてある。終端処理はしておいた方がよいが、場合によってはなくてもよい。

図１３は、変位電流を検出するセンサをペアのＦＥＴで構成した例である。このようにすると、閾値のバラツキの影響が少なくなるとともに、カレントモードが低電流で実現できる利点がある。

図１４は、高抵抗Ｒをスイッチト・キャパシタで構成した例である。この場合クロック周波数により高抵抗Ｒを可変にすることができる。このようにすると、トランジスタ動作点に対する制限が緩和でき、高抵抗Ｒを安定に形成する利点がある。

図１５は、対向極として３ｍｍφの金電極を用い、作用極としてそれぞれ１０μｍφ、２５μｍφ、１００μｍφ、３ｍｍφのものを用い、高抵抗として１ＧΩ抵抗をＮａＣｌ溶液セルに直列接続し、１Ｖ／１ｍＨｚの電圧を印加し、分配される電圧（溶液１ＧΩ）の電圧を測定した例である。

本発明は、化学物質の反応（液−液界面の状態等）の測定、生体・細胞当の定量的解析、膜特性の測定・解析等への適用が期待できる。

ＣＥ対向極
ＷＥ作用極
ＲＥ参照極
Ｖ_ｇゲート電圧
Ｒ高抵抗

Claims

ＦＥＴのゲート電極を作用極とし、対向極と参照極を備えた３極構造の電気化学測定装置であって、対向極とＦＥＴのソース電極との間に低周波電圧を印加して、ＦＥＴのゲート電極と対向極との間に電圧を印加させる電圧印加手段と、ＦＥＴのゲート電極と対向極の間に流れる変位電流を計測する変位電流計測手段とを備え、変位電流計測手段による測定結果にもとづいて電気化学測定を行うことを特徴とする電気化学測定装置。
ゲート絶縁抵抗を介して溶液に電圧分割分配して電圧印加するためにＦＥＴのゲート電極の面積を制御することにより、ゲート絶縁抵抗に比較して溶液のインピーダンスを大きくすることを特徴とする請求項１に記載の電気化学測定装置。
対向極と作用極の間のインピーダンスに近いインピーダンスを有する素子を作用極と接地極の間に設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気化学測定装置。
前記素子のインピーダンスが制御信号により可変であることを特徴とする請求項３に記載の電気化学測定装置。