JP2015072240A5

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Publication number: JP2015072240A5
Application number: JP2013209073A
Authority: JP
Filing date: 2013-10-04
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2033-10-04

Description

水素イオン濃度の変化による理論上の電圧変化は、理論的にはネルンストの式と呼ばれる式から求めることができる。例えば、２５℃において、電圧変化は、おおよそ５９ｍＶ／ｐＨである。この変化（変動）が、ＩＳＦＥＴのゲート電圧に変化を与え、ＩＳＦＥＴの出力電流が変化する。実際には、水素イオン濃度の変動に対する電圧変動は、理論値より低く、ｐＨあたり数１０ｍＶ程度となる。上記ＤＮＡの伸長反応によって発生する水素イオン濃度の変化は、反応を起させるＤＮＡ鎖の数と反応を起させる空間の大きさや試薬にもよるが、ｐＨの変化では０．１程度である。そのため、ＩＳＦＥＴの出力信号の変化は極めて小さい。

これを解決するために、ＩＳＦＥＴの高感度化が検討されている。この例として特許文献２に記載されている技術がある。特許文献２においては、多数のＩＳＦＥＴが、アレイ状に配置されており、その図７５Ｆには、水素イオンの濃度変化を検出する単位セルが、７５Ｆ１として示されている。この単位セル７５Ｆ１は、高感度化の機能を備えている。図７５Ｆにおいて、ＩＳＦＥＴとして示されている部分が、ＩＳＦＥＴの回路表現であり、ＩＳＦＥＴは、イオン感応膜（部分）７５Ｆ６と、これがゲートに接続されたＭＯＳＦＥＴ（トランジスタ）７５Ｆ２とから構成されている。同図において、７５Ｆ３はバイアス電流を与えるＭＯＳＦＥＴであり、７５Ｆ４は出力信号線７５Ｆ７（ＣｏｌｕｍｎＢｕｓ）と接続するためのＭＯＳＦＥＴである。また、同図において、ＲｏｗＳｅｌｅｃｔは、単位セル７５Ｆ１を選択する信号線である。

更に、ＭＯＳＦＥＴＭ１の他方の電極（ドレイン電極またはソース電極）は、ＭＯＳＦＥＴＭＳのソース電極（ノードＮ１）に接続され、ＭＯＳＦＥＴＭ１の一方の電極（ソース電極またはドレイン電極）は、回路の接地電圧Ｖｓに接続されている。言い換えるならば、バイアス電圧ＶＢｉａｓと回路の接地電圧Ｖｓとの間で、ＭＯＳＦＥＴＭＳ（ＩＳＦＥＴ）とＭＯＳＦＥＴＭ１とは直列に接続されている。ＭＯＳＦＥＴＭ１が、ＩＳＦＥＴ内のＭＯＳＦＥＴＭＳと直列に接続されていることにより、このＭＯＳＦＥＴＭ１をオン状態としたとき、ＭＯＳＦＥＴＭＳのソース電極（ノードＮ１）は、回路の接地電圧Ｖｓとなる。これにより、ＭＯＳＦＥＴＭＳは、バイアス電圧ＶＢｉａｓとノードＮ１との間に電流を流すチャンネルを形成することが可能となる。

以下に述べる動作によれば、セル毎にＭＯＳＦＥＴＭＳ（ＩＳＦＥＴ）のしきい値電圧の変化の大きさを変えることができる。これによって、例えば製造時の電荷蓄積によって、各セルのＭＯＳＦＥＴＭＳが異なるしきい値電圧、つまりオフセットを持ってしまったり、或いは、動作を続けている内に異なってきたりしても、同じしきい値電圧に揃えることが可能となる。これによって、それぞれ、ＩＳＦＥＴを含み、増幅機能を備えた複数のセルから、高感度なアレイとしての信号を得ることができる。例を挙げて後で説明するが、ひとつの測定の過程で、例えば試薬の温度が変えられる。この温度を変える前にしきい値電圧を変化させて、温度を変えた後の信号をより高感度に得ることもできる。

先ず、図４に示した動作の制御においては、全てのセルのしきい値電圧を一括に変更するために、選択回路３０５に対して、全ての読み出し信号線ＷＲ１、ＷＲ２と全てのオフセットキャンセル信号線ＷＣ１、ＷＣ２をロウレベルにすることを指示する。また、このとき、制御回路３１５は、制御電圧ＶＢおよびＶＲを形成するＶＲ・ＶＢ形成回路６００に対して、図４に示した電圧ＶＲ、ＶＢを形成させ、フローセル２００に設けられた参照電極２０２および半導体基板２０８へ印加させる。

この実施の形態においては、ＭＯＳＦＥＴＭＳのしきい値電圧を変更する際には、そのＭＯＳＦＥＴＭＳを含むセル（例えばＣ１１）に対応する読み出し信号線（例えばＷＲ１）をハイレベルにし、残りの読み出し信号線ＷＲ２をロウレベルにする。また、このとき、オフセットキャンセル信号線ＷＣ１をハイレベルにし、オフセットキャンセル信号線ＷＣ２をロウレベルにする。これにより、例えば１列のセルに対してしきい値電圧の変更を行う。このときには、他の列のセルに対して、バイアス電圧ＶＢｉａｓがＭＯＳＦＥＴＭＳに印加されるのを防ぐことが可能となる。また、セルの信号を読み出す際には、オフセットキャンセル信号線ＷＣ１、ＷＣ２をロウレベルとし、読み出すセルに対応した読み出し信号線ＷＲ（例えば、ＷＲ１）をハイレベルにし、残りの読み出し信号線ＷＲ２をロウレベルにする。