JP2018163146A - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出対象を高感度に検出できるセンサを提供する。
【解決手段】センサは、ジグザグエッジとアームチェアエッジのいずれかを支配的にもつ開口が形成されたグラフェン膜と、前記グラフェン膜に電気的に接触し、検出対象との相互作用による前記グラフェン膜の電気的特性の変化を読み出すための少なくとも２つの電極と、を備えている。
【選択図】図１

Description

実施形態は、センサに関する。

グラフェン膜は、その表面での原子、分子の結合や吸着あるいは近接に対して大きな電気特性変化（高い感度）を示す。このようなグラフェン膜は、イオンセンサ、酵素センサ、ＤＮＡセンサ、抗原・抗体センサ、タンパク質センサ、呼気センサ、ガスセンサなどとして、特に医用分野への応用が期待されている。

特許第５４６２２１９号公報

実施形態は、検出対象を高感度に検出できるセンサを提供する。

実施形態によれば、センサは、ジグザグエッジとアームチェアエッジのいずれかを支配的にもつ開口が形成されたグラフェン膜と、前記グラフェン膜に電気的に接触し、検出対象との相互作用による前記グラフェン膜の電気的特性の変化を読み出すための少なくとも２つの電極と、を備えている。

実施形態のセンサの模式図。 （ａ）は実施形態のセンサの模式平面であり、（ｂ）は実施形態のセンサの模式断面図。 実施形態のグラフェン膜の格子構造図。 実施形態のグラフェン膜の格子構造図。 実施形態のグラフェン膜の格子構造図。 （ａ）は実施形態のグラフェン膜の格子構造図であり、（ｂ）は実施形態のセンサの模式断面図。 実施形態のグラフェン膜の格子構造図。 実施形態のグラフェン膜の格子構造図。 実施形態のグラフェン膜の格子構造図。 実施形態のグラフェン膜の格子構造図。 （ａ）はグラフェン膜のジグザグエッジを説明するための模式図であり、（ｂ）はグラフェン膜のアームチェアエッジを説明するための模式図。 （ａ）はグラフェン膜のジグザグエッジにおける２つの副格子の配置図であり、（ｂ）はグラフェン膜のアームチェアエッジにおける２つの副格子の配置図。 実施形態のグラフェン膜の模式平面図。 実施形態のグラフェン膜の模式平面図。 実施形態のグラフェン膜の模式平面図。 実施形態のグラフェン膜の模式平面図。 実施形態のセンサの製造方法を示す模式断面図。 実施形態のセンサの製造方法を示す模式断面図。 他の実施形態のセンサの模式断面図。 他の実施形態のセンサの製造方法を示す模式図。 他の実施形態のセンサの製造方法を示す模式断面図。 他の実施形態のセンサの製造方法を示す模式断面図。 他の実施形態のセンサの製造方法を示す模式断面図。 他の実施形態のセンサの製造方法を示す模式断面図。 他の実施形態のセンサの製造方法を示す模式断面図。 他の実施形態のセンサの製造方法を示す模式図。 他の実施形態のセンサの製造方法を示す模式図。 他の実施形態のセンサの製造方法を示す模式図。 実施形態の物質認識デバイスの模式断面図。 実施形態のセンサの模式断面図。 実施形態のセンサにおけるＩｄ−Ｖｇ特性の一例を示すグラフ。 実施形態のセンサにおけるＩｄ−Ｖｇ特性の一例を示すグラフ。 リファレンス素子の模式断面図。 実施形態のセンサとリファレンス素子のそれぞれにおける、検出対象測定前後のＩｄ−Ｖｇシフトを表す図。 実施形態のセンサのＩｄの変化（実線）と、リファレンス素子のＩｄの変化（破線）を表す模式図。 グラフェン膜を用いた実施形態のセンサにおいてキャリア制御層を設けた構造の模式断面図。 （ａ）は、図３６に示すセンサにおける測定前後のＩｄ−Ｖｇ特性図であり、（ｂ）は、検出対象の濃度の相違によるＩｄ−Ｖｇ特性図。 実施形態のセンサにおけるグラフェン膜の表面に設けられた超分子の模式斜視図。 超分子の分子構造を表す図。 実施形態のセンサにおけるグラフェン膜の表面に設けられた超分子の模式斜視図。 実施形態のセンサにおけるグラフェン膜の表面に設けられた超分子の模式斜視図。 実施形態のセンサにおけるグラフェン膜の表面に設けられた超分子の模式斜視図。 実施形態のセンサにおけるグラフェン膜の表面に設けられた超分子の模式斜視図。 実施形態のセンサにおけるグラフェン膜の表面に設けられた超分子の模式斜視図。 グラフェン膜を用いた実施形態のセンサの使用方法の一例を示す模式断面図。 グラフェン膜を用いた実施形態のセンサの使用方法の一例を示す模式断面図。

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。

図１（ａ）は、実施形態のセンサ１の模式図である。

実施形態のセンサ１は、下地１０と、下地１０の上に設けられたグラフェン膜２１と、少なくとも２つの電極（第１電極５１と第２電極５２）とを有する。

センサ１は、例えば、ＦＥＴ（field effect transistor）構造を有する。または、センサ１でホイートストンブリッジ回路を形成してもよい。

下地１０は、基板１１と、基板１１上に設けられた下地膜１２とを有する。その下地膜１２上にグラフェン膜２１が設けられている。または、下地膜１２を設けずに、基板１１の表面にグラフェン膜２１を設けてもよい。また、基板１１には、図示せぬ回路やトランジスタが形成されていてもよい。

基板１１の材料として、例えば、シリコン、酸化シリコン、ガラス、高分子材料を用いることができる。下地膜１２は、例えばシリコン酸化膜のような絶縁膜である。また、下地膜１２に、グラフェン膜２１を形成するための化学的触媒の機能をもたせることもできる。

下地膜１２上またはグラフェン膜２１上に、第１電極５１と第２電極５２が設けられている。第１電極５１および第２電極５２の材料は、例えば金属材料である。第１電極５１および第２電極５２の一方はドレイン電極として機能し、他方はソース電極として機能する。

第１電極５１と第２電極５２との間にグラフェン膜２１が設けられている。第１電極５１および第２電極５２は、グラフェン膜２１に電気的に接触している。グラフェン膜２１を通じて、第１電極５１と第２電極５２との間に電流が流れることができる。

図２（ａ）は、グラフェン膜２１と電極５１、５２の平面レイアウトの一例を模式的に示す平面図である。
図２（ｂ）は、センサ１の模式断面図である。図２（ｂ）において、第１電極５１および第２電極５２の図示は省略している。
図３は、グラフェン膜２１の格子構造図である。図３における白丸が炭素原子を表す。

グラフェン膜２１は、炭素原子のｓｐ^２結合によって形成された蜂の巣状の結晶格子で構成されている。グラフェン膜２１の厚さは、炭素原子１個分の厚さに限らず、炭素原子２個以上の厚さであってもよい。

グラフェン膜２１の六方対称性に基づき、グラフェン膜２１のエッジは、ジグザグエッジとアームチェアエッジをもつことができる。グラフェン膜２１のジグザグエッジは、トランスポリアセチレンと同様の炭素骨格をもつ。グラフェン膜２１のアームチェアエッジは、シスポリアセチレンと同様の炭素骨格をもつ。

図１１（ａ）はグラフェン膜２１のジグザグエッジＺＥを説明するための模式図であり、図１１（ｂ）はグラフェン膜２１のアームチェアエッジＡＥを説明するための模式図である。

ジグザグエッジＺＥの炭素を終端する水素をＺＺ−Ｈで表し、アームチェアエッジＡＥの炭素を終端する水素をＡＣ−Ｈで表す。

グラフェン膜２１のエッジにおいて終端できるすべての炭素を水素で終端した場合、ジグザグエッジＺＥにおいては、水素結合をもつ炭素と水素結合をもたない炭素が１原子ずつ交互にエッジの延在方向に並んでいる。アームチェアエッジＡＥにおいては、水素結合をもつ炭素と水素結合をもたない炭素が２原子ずつ交互にエッジの延在方向に並んでいる。

グラフェン膜は、その蜂の巣構造という構造的特異性から、２つの独立した副格子が現れる。

図１２（ａ）は、グラフェン膜のジグザグエッジＺＥにおける２つの副格子の配置図である。図１２（ｂ）は、グラフェン膜のアームチェアエッジＡＥにおける２つの副格子の配置図である。図１２（ａ）および（ｂ）において、黒丸および白丸はおのおの独立した副格子を表す。

ジグザグエッジＺＥでは、エッジの平行線上に２つの副格子のうちどちらか片方しか現れない。アームチェアエッジＡＥでは、エッジの平行線上に２つの副格子が交互に現れる。

実施形態によれば、図２（ａ）、図２（ｂ）、および図３に示すように、グラフェン膜２１に開口２２が形成されている。図２（ｂ）に示すように、開口２２は、下地膜１２を底にもつ有底の開口である。第１電極５１と第２電極５２との間の領域において、グラフェン膜２１に少なくとも１つの開口２２が形成されている。

開口２２の輪郭を形成するエッジに、ジグザグエッジとアームチェアエッジのいずれかが支配的に現れている。開口２２の概形は多角形であり、例えば六角形である。その多角形（六角形）の辺に対応する部分にジグザグエッジまたはアームチェアエッジが支配的に現れている。

図７および図９はジグザグエッジを支配的にもつ開口２２の例を示し、図８および図１０はアームチェアエッジを支配的にもつ開口２２の例を示す。

ジグザグエッジを支配的にもつ開口２２では、ジグザグエッジを構成する炭素の数が、アームチェアエッジを構成する炭素の数よりも多い。逆に、アームチェアエッジを支配的にもつ開口２２では、アームチェアエッジを構成する炭素の数が、ジグザグエッジを構成する炭素の数よりも多い。

また、開口２２を近似した多角形におけるジグザグエッジが支配的に現れた辺（ジグザグエッジに制御された辺）は、ジグザグエッジの炭素を終端した水素ＺＺ−Ｈが３つ以上ジグザグエッジの延在方向に連続して並んだ部分をもつ。

開口２２を近似した多角形におけるアームチェアエッジが支配的に現れた辺（アームチェアエッジに制御された辺）は、アームチェアエッジの炭素を終端した水素ＡＣ−Ｈが３つ以上アームチェアエッジの延在方向に連続して並んだ部分をもつ。

図７に示す例では、六角形の６つの辺がジグザグエッジで形成され、辺と辺との間（コーナー）にアームチェアエッジが形成されている。ジグザグエッジを構成する炭素の数（またはジグザグエッジに終端した水素ＺＺ−Ｈの数）は、アームチェアエッジを構成する炭素の数（またはアームチェアエッジに終端した水素ＡＣ−Ｈの数）よりも多い。

図８に示す例では、六角形の６つの辺がアームチェアエッジで形成され、辺と辺との間（コーナー）にジグザグエッジが形成されている。アームチェアエッジを構成する炭素の数（またはアームチェアエッジに終端した水素ＡＣ−Ｈの数）は、ジグザグエッジを構成する炭素の数（またはジグザグエッジに終端した水素ＺＺ−Ｈの数）よりも多い。

図９に示す開口２２はジグザグエッジのみをもち、図１０に示す開口２２はアームチェアエッジのみをもつ。

辺にはジグザグエッジとアームチェアエッジが混在していてもよい。その辺においてジグザグエッジを構成する炭素の数がアームチェアエッジを構成する炭素の数よりも多ければ、ジグザグエッジが支配的に現れた辺（ジグザグエッジに制御された辺）と言える。逆に、アームチェアエッジを構成する炭素の数がジグザグエッジを構成する炭素の数よりも多ければ、アームチェアエッジが支配的に現れた辺（アームチェアエッジに制御された辺）と言える。

図３に示すように、開口２２のエッジにプローブ分子３１が結合されている。プローブ分子３１は、共有結合によってグラフェン膜２１と結合している。または、プローブ分子３１は、ファンデルワールス力によってグラフェン膜２１と物理吸着している。この場合、プローブ分子３１はグラフェン膜２１のエッジに限らず、図１（ａ）に示すようにグラフェン膜２１の表面に吸着していても構わない。または、プローブ分子３１の末端に多環芳香族が形成され、プローブ分子３１とグラフェン膜２１とが芳香族環どうしの親和性で吸着している。この場合も、プローブ分子３１はグラフェン膜２１のエッジに限らず、グラフェン膜２１の表面に吸着していても構わない。

グラフェン膜２１のエッジは水素で終端されている。例えば、開口２２のエッジの末端の水素がプローブ分子３１の末端に置換され、プローブ分子３１が開口２２のエッジの炭素と共有結合している。開口２２のエッジの炭素原子はｓｐ^２結合を保っている。

プローブ分子３１は、特定の物質（検出対象）を選択的に認識する特性をもつ。プローブ分子３１は、例えば、抗体、抗体の抗原認識部だけを切り出したフラグメント抗体、核酸、人工核酸、アプタマー、ペプチドアプタマー、酵素、補酵素、蛍光色素、PeT(Photoinduced electron Transfer)法に代表される電子移動型の蛍光プローブにおけるドナー構造およびフェニルボロン酸を含む化合物の少なくとも１つを含む。例えば、PeTに用いられる分子としては、DMAX、HPF(hydroxyphenyl fluorescein)、APF(aminophenyl fluorescein)などがあげられる。

グラフェン膜２１はエッジ付近に特有の電子状態をもち得る。そして、プローブ分子３１と検出対象との会合、解離、または反応により、その電子状態が変化しやすい。このようなグラフェン膜２１の電気的特性の変化を第１電極５１と第２電極５２で読み出すことで、特定の検出対象を高感度でセンスすることができる。

グラフェン膜２１において、ジグザグエッジの終端水素と炭素との間の結合エネルギーは、ｓｐ^３結合の炭素と水素の間の結合エネルギーより低く、アームチェアエッジの終端水素と炭素との間の結合エネルギーは、ジグザグエッジの終端水素と炭素との間の結合エネルギーより低い。したがって、アームチェアエッジはジグザグエッジよりも反応性が高く、アームチェアエッジの終端水素はプローブ分子３１に置換しやすい。

このエッジの反応性の違いを利用して、図３は、例えば開口２２のアームチェアエッジにプローブ分子３１が選択的に結合した例を示す。

図３は、概略六角形に近似される１つの開口２２の６つの角にぞれぞれアームチェアエッジが現れた例を表す。このような六角形の開口２２では、開口２２のサイズに関わらず、６つの角または６つの辺に、６つの特定のエッジを支配的に出現させることができる。

そして、例えばエッジの反応性の違いを利用して、１つの開口２２における６つのアームチェアエッジに６つのプローブ分子３１を結合させることができる。

ここで、６つの角のアームチェアエッジには、それぞれ２つの隣接する終端水素（図７のＡＣ−Ｈ）が存在するが、例えばプローブ分子３１同士の立体障害などの効果によって、各角部にひとつだけのプローブ分子３１を結合させることができる。また図では各角に、２つの隣接する終端水素の対を１つ含む１周期のアームチェアエッジが形成されているが、これが例えば２周期あるいは３周期連続して形成された場合においても、同様にプローブ分子３１同士の立体障害の効果によって、角部にひとつだけのプローブ分子３１を結合することができる。もちろん、意図的に各角に２つのプローブ分子３１を結合させるような分子設計をすることも可能である。

このように、１つの開口２２に現れる反応サイト（アームチェアエッジまたはジグザグエッジ）の数や密度を制御することで、プローブ分子３１の数や密度を制御できる。さらにグラフェン膜２１に形成する開口２２の数や密度を制御すれば、プローブ分子３１の数や密度を制御でき、デバイス間でのセンサ特性を任意に制御したり、デバイス間でセンサ特性を均一にすることが可能となる。

開口２２は、例えば、水素（Ｈ_２）を含むガスを用いたプラズマエッチングで形成することができる。例えば、水素ラジカルによるエッチング作用が支配的になるようにエッチング条件を制御することで、安定形状の概略六角形の開口２２を形成しやすくなる。

開口２２の形状は六角形に限らない。また、アームチェアエッジのみで形成される開口、またはジグザグエッジのみで形成される開口も形成し得る。

グラフェン膜２１に開口２２を形成してエッジを出現させる方法は、グラフェン膜２１の結晶方位などの影響を受けずに、エッチング加工時のプロセス条件によって所望のエッジを形成することが可能である。これは、グラフェン膜２１の最外周端部では実現困難な特徴である。

最外周端部のエッジ構造は、グラフェン結晶方位の傾きによって、ジグザグとアームチェアが混在してしまうため、結晶方位を厳密に制御しないとエッジ構造を制御できない。

例えば図１３のようにグラフェン膜２１の結晶方位が全く傾いていない場合には最外周端部のエッジ形状はジグザグ形状になるが、実際には結晶方位を制御することが難しく、図１４のように傾いてしまう。この場合、最外周端部はジグザグエッジやアームチェアエッジの直線と平行にならないため、これらが混在したものとなってしまう。

ここで図１４の最外周端部のエッジ形状は制御できていないが、実施形態によれば、グラフェン膜２１はエッジ制御された開口２２のエッジが多く存在するため、実質的に最外周端部のエッジの影響を小さくすることができる。このようにして、所望のエッジ伝導効果（エッジ形状効果）をもつグラフェン膜を形成しやすいという特徴がある。

以上説明したようなエッジの反応性の違いを利用して、異なる種類の機能性分子を、その数や密度を制御して開口２２のエッジに吸着させることも可能である。

図４は、例えば、開口２２のアームチェアエッジにプローブ分子３１が結合していて、ジグザグエッジに非特異的吸着をブロックする分子（ブロッキング剤）３２が結合した例を示す。

ブロック分子３２は、プローブ分子３１が会合する標的物質（分子、イオン、ウイルス、微生物など）とは異なる種類の物質（分子、イオン、ウイルス、微生物など）がグラフェンエッジへ吸着することをブロックする。このような構造は、ノイズ（非検出対象の検出）を減らして、特定の検出対象を高感度で検出することを可能にする。ジグザグエッジにプローブ分子３１を結合させ、アームチェアエッジにブロック分子３２を結合させてもよい。

図５は、アームチェアエッジに第１のプローブ分子３３が結合し、ジグザグエッジに、第１のプローブ分子３３とは異なる種類の第２のプローブ分子３４が結合した例を示す。

ここで、例えば第２のプローブ分子３４に酵素を用いて、第１のプローブ分子３３が、当該酵素による反応生成物と会合するようにすることができる。この場合、当該酵素で反応する以前には、認識が難しいような物質であっても、検出することが可能となる。

あるいは、第２のプローブ分子３４が、例えば免疫細胞の特定の受容体と結合する物質（例えばリガンド）の構造を有している場合、免疫細胞が受容体へのリガンドの結合を認識してサイトカイン等の内分泌物質を放出する。ここで第１のプローブ分子３３がこの放出された内分泌物質と会合するようになっていれば、特定の受容体が発現した免疫細胞が存在するかどうかを検出することが出来る。

また、開口２２のサイズと、プローブ分子の大きさを制御することで、開口２２のエッジの反応性の違いを利用せずに、１つの開口２２に対するプローブ分子の数や密度の制御が可能になる。

例えば、プローブ分子を開口２２のサイズよりも大きくすると、プローブ分子同士の立体障害によって、複数のプローブ分子がひとつの開口２２に結合できなくなるため、プローブ分子の形成サイト（アームチェアエッジまたはジグザグエッジ）の数にかかわらず、図６（ａ）に示すように１つの開口２２に１つのプローブ分子３５だけを結合、あるいは２つ以下のプローブ分子３５を結合させることが可能となる。

図６（ａ）に示すプローブ分子３５は、開口２２のエッジに結合したアンカー部３５ａと、検出対象と会合または反応するヘッド部３５ｂとを有する。

図６（ｂ）は、グラフェン膜２１の表面に、保護膜（表面コート膜）１３が形成された例の模式断面図である。

保護膜１３は、グラフェン膜２１における開口２２を除く表面を覆っている。このような保護膜１３は、グラフェン膜２１におけるプローブ分子３１以外の部分への検出対象の吸着や近接を防ぐ。また、保護膜１３は、グラフェン膜２１の表面にセンシング雰囲気中の分子、イオン、ウイルス、微生物などの夾雑物が吸着や近接してグラフェン膜２１の電気特性が変化するのを防ぐ。さらに、保護膜１３は、グラフェン膜２１の剥がれを防ぎ、測定ノイズの低減を実現する。

保護膜１３は、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜などの絶縁膜、窒化ホウ素（ＢＮ）などの層状化合物の膜、または、タンパク質などの吸着を抑制する有機物の膜である。

実施形態によれば、グラフェン膜２１の表面がコートされても、開口２２の側壁（エッジ）にプローブ分子３１を結合させることができる。

図１５（ａ）は、グラフェン膜２１の端部に保護膜１３を形成した例を示す。グラフェン膜２１の端部のエッジが保護膜１３で覆われている。保護膜１３はグラフェン膜２１の端部へのプローブ分子の結合を防ぐ。開口２２のエッジは保護膜１３で覆われず、プローブ分子の結合が可能となっている。開口２２の大きさや数によってプローブ分子の数を制御することができる。

図１５（ｂ）に示す例では、開口２２の近傍およびグラフェン膜２１の端部を除く、グラフェン膜２１の表面に保護膜１３が形成されている。開口２２の近傍の炭素原子は保護膜１３で覆われずに露出している。

保護膜１３は、グラフェン膜２１の表面でのプローブ分子や検出対象の非選択的な吸着や残渣を防止する。また、保護膜１３の厚さを例えば１０ｎｍ以上にして、検出対象の接近によるグラフェン膜２１の特性変化を防ぐようにしてもよい。

図１６に示すように、開口２２の近傍を除くグラフェン膜２１の表面および端部を保護膜１３で覆ってもよい。

グラフェン膜２１のエッジ付近の電子状態は周りの環境変化に対してセンシティブなので、グラフェン膜２１にプローブ分子を形成しなくても、例えば開口２２のエッジと検出対象との相互作用によりグラフェン膜２１の電気的特性を変化させることができる。

検出対象に合わせて適切なプローブ分子を使うと、特定の検出対象に対するより高い感度が得られる。

あるいは、開口２２のエッジに結合するプローブ分子とは異なる種類のプローブ分子をグラフェン膜２１の表面に吸着させてもよい。例えば、グラフェン膜２１の表面とファンデルワールス力で吸着する、例えばピレニル基を末端に持ったプローブ分子を、グラフェン膜２１の表面に吸着させても構わない。

また、プローブ分子３１を、グラフェン膜２１における開口２２のエッジ以外のエッジに結合させることもできる。

次に、図１（ａ）に示す実施形態のセンサ１の製造方法について説明する。

図１７（ａ）に示すように、例えばｎ^＋型シリコンの基板１１上に、放電を防ぐための絶縁膜（下地膜）１２を形成する。基板１１が絶縁体の場合は絶縁膜１２の形成を省略してもよい。

その絶縁膜（下地膜）１２上にグラフェン膜２１を形成する。例えば、グラファイトからの転写法、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）法、ボトムアップ成長法などによりグラフェン膜２１を形成する。転写法の場合、プリント技術などで開口パターンを形成したグラフェン膜２１を下地膜１２に貼り合わせてもよい。

グラフェン膜２１には、例えば、前述したように、アルゴンと水素を含むガスを用いたプラズマエッチングにより、図１７（ｂ）に示すように開口２２が形成される。

または、下地膜１２をあらかじめパターニングしておいて、そのパターニングされた下地膜１２上に例えばＣＶＤ法などで開口２２をもつグラフェン膜２１を形成してもよい。または、例えば高分子合成に代表されるボトムアップ法を用いて開口２２があいたグラフェン膜２１を形成することも可能である。

グラフェン膜２１を形成した後、図１８に示すように第１電極５１および第２電極５２を形成する。

その後、センサの用途によっては、図１（ｂ）に示すセンサ３ように、グラフェン膜２１上に液体５７を溜めるウェル５６を形成してもよい。ウェル５６は、例えば絶縁膜の側壁５５をグラフェン膜２１を取り囲むように形成して作ることができる。側壁５５の形成は、リソグラフィでパターン加工しても構わないし、貼り合せても構わない。

また、ウェルの代わりに流路を形成しても構わない。流路の形成は犠牲層で流路内部構造を形成した後、犠牲層の周りに絶縁膜を形成し、犠牲層を除去することによって形成することが出来る。または、別の基板上に前もって形成した流路部品を貼り合わせて形成してもよい。

グラフェン膜２１に開口２２を形成した後のいずれかのタイミングで、その開口２２のエッジにプローブ分子３１を結合させる。

グラフェン膜２１に開口２２を形成するエッチング条件などで、開口２２の概形を六角形などの多角形にすることができ、さらにその多角形の辺をジグザグエッジまたはアームチェアエッジのいずれかに制御することができる。このような辺がジグザグエッジまたはアームチェアエッジに制御された多角形の角においては、辺とは異なった電子の状態密度となっている。

図１９は、他の実施形態のセンサ２の模式断面図である。

センサ２は、センサ素子２５と、センサ素子２５上に設けられた液状物６０と、薄膜７１ａとを有する。

センサ素子２５は、表面電荷（電子状態）の変化を電気的に検出する。例えば、センサ素子２５は、前述した実施形態におけるグラフェン膜２１を用いたＦＥＴである。または、センサ素子２５は、半導体ＦＥＴ上に感応膜が形成されたＩＳ（ion sensitive）−ＦＥＴである。

液状物６０は、センサ素子２５の表面に接触し、例えばドーム状に設けられている。液状物６０は、特定の物質を選択的に認識する特性を持ったプローブ分子と、水とを含む。

薄膜７１ａは液状物６０を覆っている。薄膜７１ａには複数の貫通孔７１ｃが形成されている。貫通孔７１ｃの一方の端（下端）は液状物６０に通じ、他方の端（上端）は薄膜７１ａの上面側の雰囲気に通じている。

貫通孔７１ｃの直径は、例えば、１０ｎｍ以下であり、さらには３ｎｍ以下である。このような多数の微細貫通孔７１ｃは、例えば自己組織化材料の相分離を利用して形成することができる。

センサ素子２５のグラフェン膜（または感応膜）は、基板（または下地）１１上に形成されている。例えば、複数のグラフェン膜（または感応膜）が、基板１１上にアレイ状に配置されている。そして、複数の液状物６０が、複数のグラフェン膜（または感応膜）上にアレイ状に配置されている。

プローブ分子は、液中で標的物質（検出対象）に基質特異的に会合する。このようなプローブ分子としては、例えば、抗体、アプタマー、ペプチドアプタマー、フェニルボロン酸などが挙げられる。プローブ分子は、あるいは、液中で標的物質を基質特異的に認識して化学反応を促進する。このようなプローブ分子としては、例えば、酵素、補酵素、抗体酵素、リボザイムなどが挙げられる。

ここで、基質特異的とは、標的となる分子に対して選択的に作用する性質のことであり、上記に示したような生体由来材料あるいはその人工合成物がしばしば保有する特性である。

ここではプローブ分子として酵素を用いて説明する。酵素は生体由来のタンパク質からなる触媒分子であり、特定の化学物質を基質特異的に認識して、特定の化学反応を選択的に促進する特性を持っている。元来、生物が物質を分解や消化する際に使われる材料であるため、液中で上記触媒作用を発現する性質を持っている。

次に、図１９に示すセンサ２の製造法について説明する。

図２１（ａ）に示すように、基板１１上にセンサ素子２５を形成する。そして、そのセンサ素子２５上に液状物６０を形成する。

例えば、酵素を、水を含む高粘度液体中に取り込ませ液状物６０を形成する。ここで高粘度液体としては、例えばアガロースのような多糖類が水を保有したものや、ゼラチンのようなタンパク質が水を保有したものを用いることができる。

あるいは、高粘度液体として下記分子式で表される界面活性剤が水を保有したものを用いることが出来る。
陰イオン界面活性剤：CH₃-(-CH₂-)x-CH₂-O-(-C₂H₄-O-)y-CH₂-COOH
陽イオン界面活性剤：CH₃-(-CH₂-)x-CH₂-O-(-C₂H₄-O-)y-CH₂-CO-NH-C₃H₆-NH₂

上記陰イオン界面活性剤と陽イオン界面活性剤を酵素と水と共に混合すると、図２０に示すように、酵素６１の周りを界面活性剤６２のカルボン酸基と１級アミノ基が取り囲み、界面活性剤６２のPEG(polyethylene glycol)鎖部が水６３を保持し、その先の疎水性アルキル鎖同士が静電相互作用で凝集したジェル状の高濃度タンパク質凝集体を形成する。

このようにして得られた高粘度な液体（液状物）６０は、液滴として形状を維持する能力を持つため、図２１（ｂ）に示すように、基板１１上のセンサ素子２５上に塗布（供給）することができる。例えば、インクジェット法、ディスペンサ法、あるいはスクリーン印刷法により、液状物６０を基板１１上の所望の位置に局所的に塗布することができる。

その高粘度液状物６０が塗布された基板１１の表面に、図２２（ａ）に示すように、例えば自己組織化材料７１を塗布する。高粘度液状物６０はセンサ素子２５に対してそれほど強く固着しているわけではない。そのため、自己組織化材料７１の塗布法としては、スピンコート法のような遠心力がかかる方法よりは、例えばスリットコータ―法などが好ましい。

自己組織化材料７１は、例えば、互いに非相溶である親水性と疎水性の２つのポリマーが結合したブロックコポリマーである。その２つのポリマーの分子鎖長比を制御することによって、図２２（ｂ）に示すように、相７１ａと相７１ｂを含む例えばシリンダー構造にミクロ相分離することができる。

一方の相（例えばシリンダー構造の円柱）７１ｂを選択的にエッチングすることで、図２３（ａ）に示すように、残った相で形成される薄膜７１ａに多数の微細な貫通孔７１ｃがあいた構造を形成することができる。残された相に例えば光硬化性樹脂としての機能を持たせておけば、薄膜７１ａを化学的に安定な形態にすることができる。

自己組織化材料７１のシリンダー構造の円柱を形成する側のポリマーの分子量を十分小さく、具体的にはオリゴマーと呼ばれる繰り返し炭素数で１００個以下の分子量にまで小さくすることにより、その円柱がエッチングで除去された後に、直径が数ｎｍ、より具体的には３ｎｍ以下の極めて小さな貫通孔７１ｃを形成することができる。

そのような微細貫通孔７１ｃよりも大きな酵素は、貫通孔７１ｃを通過することができない。一方、揮発性有機化合物(Volatile Organic Compounds：以下略してVOC)と呼ばれるほとんどの低分子化合物の分子サイズは貫通孔７１ｃよりも小さく、そのようなVOCは貫通孔７１ｃを容易に通過することができる。

例えば、リゾチームという酵素の分子量は１４５００Daであり、そのリゾチームの大きさは４．５ｎｍ×３．０ｎｍ×３．０ｎｍ程度である。その他の殆どの酵素はリゾチームよりもはるかに大きい。

一方、VOCとしては、例えば、シックハウス症候群の原因となるホルムアルデヒド、有害物質のベンゼン、PCB（polychlorinated biphenyl）、DDT（dichlorodiphenyltrichloroethane）、強い薬物依存性を示すモルヒネ、コカインなどが挙げられる。ホルムアルデヒドの大きさはおよそ０．３ｎｍ、ベンゼンの大きさはおよそ０．６ｎｍ、PCBの大きさはおよそ１．３ｎｍ、DDTの大きさはおよそ１．２ｎｍ、モルヒネの大きさはおよそ０．９ｎｍ、コカインの大きさはおよそ１．３ｎｍ程度である。

さらに、前述の界面活性剤６２を用いた図２０に示すタンパク質凝集体であれば、水６３も界面活性剤６２によって保有されているため、貫通孔７１ｃから漏れ出てくることがない。

高粘度液状物６０中に取り込まれている酵素６１が、特定のVOCに対して触媒反応を促進させるものである場合、標的となるVOCが存在する雰囲気中に本センサ２がさらされると、上記貫通孔７１ｃを通って高粘度液状物６０に入ってきたVOCが液状物６０中の酵素６１によって反応し、液状物６０中に反応生成物が形成される。

通常、酵素６１による反応生成物は酵素６１の周囲に分散してしまうため、その生成をセンシングすることが困難である。しかし、本実施形態のような小さな空間に閉じ込められた系（液状物６０）においては、反応生成物の濃度が著しく上昇するため、その下部に形成されたセンサ素子２５によって、反応生成物の生成、すなわち標的となるVOCの存在を高感度に電気信号として読み取ることが可能となる。反応生成物が、センサ素子２５のグラフェン膜（または感応膜）の電気的特性を変化させる。

図２３（ｂ）は、高粘度液状物６０が塗布されていない部分に形成された薄膜７１ａ上に補強膜（またはアンカー膜）８１が形成された構造を示す。このような構造は、基板１１に対する薄膜７１ａの接着強度を高める。例えば、フォトレジストのパターニングで補強膜８１を選択的に形成することができる。

または、図２４（ａ）〜（ｃ）に示すように、レジスト８２のリフトオフを利用して、補強膜８１を選択的に残すことができる。

図２４（ａ）に示すように、レジスト８２を、高粘度液状物６０が塗布された部分の上に形成する。次に、図２４（ｂ）に示すように、例えば低温スパッタ法で補強膜８１をレジスト８２の上面、および高粘度液状物６０が塗布されていない部分に成膜する。その後、レジスト８２をリフトオフ（剥離）すると、図２４（ｃ）に示すように、高粘度液状物６０が塗布されていない部分に選択的に補強膜８１を残すことができる。センサ素子２５上の液状物６０は貫通孔７１ｃを介して検出対象雰囲気に通じている。

第１の酵素を含む液状物６０が塗布された部分と、第１の酵素とは異なる種類の第２の酵素を含む液状物６０が塗布された部分とを同じ基板１１上に形成することもできる。このような構造は、複数種類の標的物質を検出することができる。

複数種類の酵素は、同じ１つの高粘度液状物６０中に取り込んでもよい。このような構造は、連続する化学反応を促進させることを可能にし、例えば、一段目の化学反応の反応生成物がセンサ素子２５で検出しにくいようなものであった場合であっても、二段目の化学反応の反応生成物を検出することが出来る。

自己組織化材料７１の相分離で形成された貫通孔７１ｃは、カビの大きさよりも小さいため、カビが貫通孔７１ｃから液状物６０に侵入しない。酵素を濡れた環境で用いているにも関わらず、センサ２にカビが発生しない。カビが下地に根をはる際に伸長する菌糸の太さは０．５μｍ以上１００μｍ以下である。この目的に特化するのであれば、貫通孔７１ｃの直径は５００ｎｍ以下であればよい。

数ｎｍの微細な貫通孔７１ｃである場合には、外部から酵素が入ってこない。そのため、液状物６０に含まれる酵素とは異なる種類の酵素が液状物６０内に入ってこない。これは、標的でない物質の反応促進により得られた、検出対象ではない反応生成物の検出を防ぐ。さらに液状物６０中のプローブ分子を分解するような酵素が入ってくることも避けられる。

上記説明ではプローブ分子として酵素を例に説明したが、プローブ分子として例えばアプタマーを用いて血液等の体液を検査する場合に、外部から酵素が入ってこないという特徴は非常に有効である。

核酸を骨格にもつアプタマーは、生体内に存在する核酸分解酵素であるヌクレアーゼによって分解されやすく、アプタマーを体液の検査に用いることはこれまでは困難であった。

本実施形態によれば、ヌクレアーゼは微細貫通孔７１ｃを通過できないため、アプタマーをヌクレアーゼから保護することができ、実施形態のセンサ２を十分な信頼度を持って体液検査に適用することが可能となる。

センサ素子２５の電荷検出膜（グラフェン膜など）に対して、リンカーを介してアプタマーを固定することができる。電荷を帯電したアプタマーが標的分子を捕獲することによって生じた立体形状の変化や、標的分子自体が持つ電荷をセンサ素子２５で電気的に読み取り、標的分子（検出対象）を検出することができる。

アプタマーの骨格の核酸における鎖の太さは１．９ｎｍである。従って遊離したアプタマーは貫通孔７１ｃを通り抜け得るが、上記のようにアプタマーをセンサ素子２５に固定しておけば、アプタマーの液状物６０中からの離脱を回避できる。

図２５（ａ）に示すように、薄膜７１ａを固定する補強膜（またはアンカー膜）８１を、高粘度液状物６０から少し離して形成しておけば、図２５（ｂ）に示すように、センサデバイス上を適切な液体８５で覆って高粘度液状物６０が希釈された際に、液状物６０中の酵素や、液状物６０中に溶け込んできたVOCがより自由に移動できるようになる。この場合においても、貫通孔７１ｃは酵素を通さない。

以上説明した実施形態のセンサ２によれば、VOCのような低分子化合物を酵素で反応させて得られた反応生成物を高感度に検出することができる。

酵素は液中で活性を示す。そのような酵素を含む液状物６０を用いながらも、センサデバイスの表面は乾いた状態を保持でき、例えばカビの発生を防ぐことができる。さらに、液状物６０が水を吸着する特性を持っている場合には、酵素の乾燥を抑制することができる。

また、酵素を化学結合させることなく、電荷検出膜（グラフェン膜など）に固定することができるため、化学結合による酵素の立体構造変化が生じない。これは、酵素活性（触媒作用）への悪影響を防ぐことができる。

また、貫通孔７１ｃを通じて外部から別のプローブ分子が液状物６０中に入ってくることがないため、意図しない結合や反応をセンサ素子２５が検出してしまうこともない。また、外部から別の種類の酵素が入ってくることもないため、液状物６０中に取り込んだプローブ分子が分解されてしまうこともない。

プローブ分子としては、補酵素を酵素と組み合わせて用いることも可能である。また、プローブ分子は、抗体酵素やリボザイムであっても構わない。抗体酵素の分子サイズは１０ｎｍ強である。このような抗体酵素、さらに分子サイズが巨大な酵素をプロー分子として用いる場合、貫通孔７１ｃの直径は１０ｎｍ以下であればよい。

プローブ分子として、抗体、アプタマー、ペプチドアプタマーを用いることもできる。これらのプローブ分子は、標的の化学反応を進めるわけではなく、プローブ分子に結合した標的がもつ電荷をセンサ素子で読み取る。または、標的に結合することによって電荷を持ったプローブ分子の立体構造が変化したことをセンサ素子２５で読み取る。

センサ素子（電荷検出センサ）２５直上の液相には厚さ数ｎｍ程度の電気二重層が形成され得る。その電気二重層よりもセンサ素子２５から遠い領域での電荷移動は電気二重層で遮蔽されてしまい、センサ素子２５で読み取ることが困難になり得る。

図２６は、抗体の一例としてＩｇＧ抗体の模式図である。

アプタマーやペプチドアプタマーは適切な設計であれば十分小さいが、抗体の場合、最も小さいＩｇＧ抗体であっても１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度の大きさを持っている。そのため、標的分子捕獲部分（抗原接合部位）Ｆａｂが上記電気二重層の外側になってしまい、その電荷を検出できない。

そこで、図２７に示すようにＩｇＧ抗体の先端にある標的分子認識部Ｆａｂ’を切り出し、図２８に示すように下地（基板）１１に固定することによって、電気二重層よりもセンサ素子に近い領域で標的分子の捕獲をすることができる。

図２７に示すように、例えば、ペプシンでＩｇＧ抗体のＦｃ部を切断し、アガロースでＦｃ部を除去し、メルカプトメタノールで標的分子認識部Ｆａｂ’へ分解することができる。そして、図２８に示すように、マレイミドを介して標的分子認識部Ｆａｂ’を下地（基板）１１に固定させることができる。標的分子認識部Ｆａｂ’のチオール基がマレイミドと結合する。

本実施形態のような液中で作用する酵素を乾いた表面で扱うことができ、カビがはえないという特性は、有害ガスを除去するデバイスとして用いることもできる。

図２９（ａ）は、そのような有害物質分解デバイス３の模式断面図である。

基板１１上に液状物６０が形成され、その液状物６０を覆うように薄膜７１ａが形成されている。液状物６０を覆う薄膜７１ａには貫通孔７１ｃが形成されている。

このような有害物質分解デバイス３は、センサとしての機能は必ずしも必要ではないため、センサ素子はなくてもよい。大面積デバイスを安価に製造するため、下地（基板）１１は、液状物６０および薄膜７１ａを支持するシートや板でよい。

ここで高粘度液状物６０中に取り込む酵素として、例えばアルデヒド酸化酵素であるホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼを、補酵素であるニコチンアミドアデニンジヌクレオチドとともに取り込んでおけば、シックハウス症候群の原因となるホルムアルデヒドを酸化してギ酸に変化させることができる。さらにギ酸デヒドロゲナーゼも取り込んでおけば、ギ酸から二酸化炭素へ変化させることができる。

このようなデバイス３を壁紙の一部として、あるいは室内の任意の箇所に配置しておけば、ホルムアルデヒドが除去された室内環境が得られる。また、センサ素子（電荷検出センサ）を搭載すれば、このデバイス３自身がホルムアルデヒドを分解して室内のホルムアルデヒド残量が下がった様子（空気清浄度）を直接計測することができる。また、この場合には、ギ酸デヒドロゲナーゼを加えずに、二酸化炭素よりも酸性度の強いギ酸の状態で電荷検出センサで検出することも可能である。

なお、図２９（ｂ）のように酵素を含む高粘度液状物６０を貫通孔７１ｃが形成された薄膜７１ａで被覆した球体を作成し、それを室内壁の塗料に含ませたり、あるいは壁紙の印刷中に取り込んだりすることも可能である。この用途の場合、デバイス形状は必ずしも球体である必要もなく、図２９（ｃ）のような半球状であっても構わない。

実施形態によれば、プローブ分子は、多環芳香族をもつ。

実施形態によれば、プローブ分子は、抗体、抗体の抗原認識部だけを切り出したフラグメント抗体、核酸、人工核酸、アプタマー、ペプチドアプタマー、酵素、補酵素、蛍光色素、PeT(Photoinduced electron Transfer)法に代表される電子移動型の蛍光プローブにおけるドナー構造およびフェニルボロン酸を含む化合物の少なくとも１つを含む。

実施形態によれば、開口のエッジの炭素はｓｐ^２結合している。

実施形態によれば、センサは、開口の近傍を除くグラフェン膜の表面を覆う保護膜を備えている。

実施形態によれば、プローブ分子は、抗体、アプタマー、ペプチドアプタマー、酵素、補酵素、抗体酵素、およびリボザイムの少なくとも１つを含む。

実施形態によれば、液状物は、多糖類、タンパク質、および界面活性剤の少なくとも１つを含む高粘度液体である。

実施形態によれば、液状物は、アルデヒド酸化酵素を含む。

実施形態によれば、貫通孔の直径が１０ｎｍ以下である。

実施形態によれば、貫通孔の直径が３ｎｍ以下である。

実施形態によれば、センサ素子は、半導体ＦＥＴ（field effect transistor）上に感応膜が形成されたＩＳ（ion sensitive）−ＦＥＴである。

図１（ａ）に示すセンサ１、または図１（ｂ）に示すセンサ３において、基板１１とグラフェン膜２１との間にゲート電極（バックゲート）を設けることができる。

図３０は、例えば図１（ｂ）に示すセンサ３にゲート電極ＢＧを設けたセンサ３’の模式断面図である。下地の図示は省略する。

ゲート電極ＢＧは、グラフェン膜２１の下に設けられている。グラフェン膜２１とゲート電極ＢＧとの間にゲート絶縁膜１５が設けられている。また、絶縁膜１４が、第１電極５１の表面および第２電極５２の表面を覆っている。

図３０に示すセンサ３’は、ソース電極としての第１電極５１、ドレイン電極としての第２電極５２、ゲート電極ＢＧ、ゲート絶縁膜１５、およびチャネルとしてのグラフェン膜２１を有するＦＥＴ構造を有する。また、溶液５７に電位を与える参照電極を設けてもよい。

図３１（ａ）〜図３２（ｂ）は、センサ３’におけるＩｄ−Ｖｇ特性の一例を示すグラフである。Ｉｄはグラフェン膜２１を通じて電極５１と電極５２との間を流れる電流値を表し、Ｖｇはゲート電極ＢＧのゲート電圧を表す。

例えば、検出対象の測定前に、第１電極５１と第２電極５２間に一定電圧を印加し、ゲート電極ＢＧのゲート電圧Ｖｇを増減し、電流値Ｉｄを測定する。その後、検出対象の測定中に同様の操作を行う。検出対象測定前のＩｄ−Ｖｇ特性を実線で表し、検出対象測定後のＩｄ−Ｖｇ特性を破線で表す。

測定前後のＩｄ−Ｖｇ特性の変化から、ゲート電極ＢＧ以外からグラフェン膜２１に注入されたキャリア量、すなわちそのキャリアの注入源である検出対象の数を算出することができる。さらに、プローブ分子の検出対象に対する結合能を加味して、検出対象物の密度や濃度を算出することも可能である。

例えば、図３１（ａ）に示すように、測定前後における、電流値Ｉｄが最小となるゲート電圧Ｖｇの変化ΔＶｇを検出対象の検出評価に用いることができる。

または、図３１（ｂ）に示すように、測定前後における、Ｖｇ＝０のときのＩｄの変化ΔＩｄを検出対象の検出評価に用いることができる。この場合、ゲート電圧Ｖｇによる、液体５７の加水分解や素子破壊を回避することができる。また、測定時間を短縮でき、消費電力を抑えることができる。

または、図３２（ａ）に示す例のように、事前にＩｄのＶｇ依存を取得しておくことも可能である。測定前に、Ｖｇ＝０のときのＩｄと、Ｖｇ＝０近傍の２点のＶｇでＩｄを計測して得られるΔＩｄ／ΔＶｇを記憶する。検出対象の測定時は、Ｖｇ＝０のときのＩｄと、測定前の上記記憶データとから、測定後のＩｄ−Ｖｇ特性を取得することができる。測定時はＶｇ＝０のときのＩｄを計測するだけなので、素子破壊を回避し、測定時間を短縮でき、電力消費を抑えることができる。

図３２（ｂ）に示す例では、測定前に、Ｉｄの最小値Ｉｄ_minと、ΔＩｄ／ΔＶｇを記憶する。検出対象の測定時は、Ｉｄ_minを流したときのゲート電圧Ｖｇを計測するだけなので、測定時間を短縮でき、電力消費を抑えることができる。

検出対象以外からのキャリア注入によるノイズを除去する目的で、温度センサ、ｐＨセンサのようなセンサ素子を、前述した実施形態のセンサとともに下地上に混載することができる。また、図３３に示すようなリファレンス素子４を、前述した図３０に示すセンサ３’とともに下地上に混載することができる。このような別のセンサ素子を用いて、外環境（温度、湿度、ｐＨ、液層極性など）の影響を排除できる。

図３３のリファレンス素子４においては、グラフェン膜２１にプローブ分子が結合しておらず、ウェル５６内におけるグラフェン膜２１の表面が保護膜１３で覆われている。

また、同じウェル５６内に、グラフェン膜２１にプローブ分子が結合した領域（検出対象捕獲領域）と、グラフェン膜２１が保護膜１３で覆われた領域（リファレンス領域）とを混在させることもできる。

図３４は、センサ３’とリファレンス素子４のそれぞれにおける、検出対象測定前後のＩｄ−Ｖｇシフトを表す図である。

検出対象の捕獲およびｐＨ変動に伴う、センサ３’のＩｄ−Ｖｇシフトは、（IiX-Ii）/（Iw-Ie）×Ｖａで評価することができる。

ｐＨ変動に伴うリファレンス素子４のＩｄ−Ｖｇシフトは、（IiRX-IiR）/（IwR-IeR）×Ｖａで評価することができる。

そして、ｐＨ変動の影響を排除した検出対象の捕獲に伴うＩｄ−Ｖｇシフトは、（IiX-Ii）/（Iw-Ie）−（IiRX-IiR）/（IwR-IeR）で評価することができる。

図３５は、センサ３’のＩｄの変化（実線）と、リファレンス素子４のＩｄの変化（破線）を表す模式図である。横軸は時間軸を表す。

イニシャル状態においては、素子自体のばらつきによる差ｄが、センサ３’とリファレンス素子４との間にある。

グラフェン膜２１にプローブ分子を固定するためにウェル５６に反応溶媒を供給すると、その反応溶媒のｐＨに応答して、センサ３’とリファレンス素子４のそれぞれのＩｄがイニシャル状態からシフトする。さらに、プローブ分子が固定されるセンサ３’においては、そのプローブ分子の固定に伴ってＩｄがシフトする。

そして、検出対象を測定するために、ウェル５６に検体液を供給すると、その検体液のｐＨに応答して、センサ３’とリファレンス素子４のそれぞれのＩｄがシフトする。さらに、センサ３’においては、プローブ分子に検出対象が捕獲されることに伴ってＩｄがシフトする。

センサ３’においてｐＨによるＩｄシフトの影響は、リファレンス素子４との差分によって補正することができる。

グラフェンを用いたセンサにおいて、ディラク点近傍の電子輸送特性を利用すると高感度に検出対象を検出することができる。一方で、測定雰囲気や検出対象の濃度などによってディラク点がシフトしてしまい、ディラク点近傍までゲート電圧をかけると絶縁膜が破壊する懸念がある。また、自由電子が十分に存在する領域では、検出対象の濃度に対する電気特性変化率が低くなり、検出対象の濃度に対する分解能が下がってしまうことが懸念される。

そこで、以下に示す実施形態では、グラフェン膜２１の近傍に、グラフェン膜２１中のキャリア量を制御するキャリア制御層を設けている。

図３６は、グラフェン膜を用いたセンサにおいてキャリア制御層を設けた構造の模式断面図である。

基板１１上に下地膜１２が設けられ、下地膜１２上にグラフェン膜２１が設けられている。グラフェン膜２１は、電極５０に接している。

キャリア制御層４１〜４５が下地膜１２の表面に設けられ、グラフェン膜２１はキャリア制御層４１〜４５に接している。キャリア制御層４１〜４５は、グラフェン膜２１の近傍例えば５ｎｍ程度（デバイ長相当分）の範囲内に設けられている。

キャリア制御層４１〜４５は、グラフェン膜２１へのキャリア注入量が異なる複数の領域４１〜４５を有する。例えば、領域４２は領域４１よりもグラフェン膜２１へのキャリア注入量が多く、領域４３は領域４２よりもグラフェン膜２１へのキャリア注入量が多く、領域４４は領域４３よりもグラフェン膜２１へのキャリア注入量が多く、領域４５は領域４４よりもグラフェン膜２１へのキャリア注入量が多い。

図３６において一対の電極５０の間の領域を１つの素子とすると、図３６には６つの素子が示される。その６つの素子のうち、左から３番目の素子には、キャリア制御層が設けられていない。

図３７（ａ）は、図３６に示すセンサにおける検出対象の測定前（実線）のＩｄ−Ｖｇ特性と、測定後（破線）のＩｄ−Ｖｇ特性を表す。

図３６の６つの素子のキャリア量（チャージ量）に応じてＩｄ軸がシフトする。最も左のＩｄ軸は、図３６において領域４１をもつ素子に対応する。左から２番目のＩｄ軸は、図３６において領域４２をもつ素子に対応する。左から３番目のＩｄ軸は、図３６においてキャリア制御層をもたない素子（左から３番目の素子）に対応する。左から４番目のＩｄ軸は、図３６において領域４３をもつ素子に対応する。左から５番目のＩｄ軸は、図３６において領域４４をもつ素子に対応する。最も右のＩｄ軸は、図３６において領域４５をもつ素子に対応する。

キャリア制御層がない素子（図３７（ａ）において左から３番目のＩｄ軸）の場合、高いゲート電圧Ｖｇをかけないとディラク点が評価できないが、例えば領域４４をもつ素子（右から２番目のＩｄ軸）で評価をすれば、低いゲート電圧ＶｇでもＩｄの変化率は大きい。キャリア量（チャージ量）の異なる複数の素子の中から、測定に使用する素子を適切に選択することで、周りの環境や検出対象濃度に左右されずに高感度検出が可能となる。

図３７（ｂ）は、検出対象の濃度の相違によるＩｄ−Ｖｇ特性を表している。例えば、検出対象の濃度が０％、１％、２％、３％のＩｄ−Ｖｇ特性を表す。また、図３７（ａ）と同様、最も左のＩｄ軸は、図３６において領域４１をもつ素子に対応する。左から２番目のＩｄ軸は、図３６において領域４２をもつ素子に対応する。左から３番目のＩｄ軸は、図３６においてキャリア制御層をもたない素子（左から３番目の素子）に対応する。左から４番目のＩｄ軸は、図３６において領域４３をもつ素子に対応する。左から５番目のＩｄ軸は、図３６において領域４４をもつ素子に対応する。最も右のＩｄ軸は、図３６において領域４５をもつ素子に対応する。

検出対象の濃度に応じて評価する素子を選択することで、幅広い濃度にわたって検出対象を高感度に測定できる。

下地膜１２は例えば絶縁膜であり、その下地膜１２の表面に例えばイオン注入法によりドーパントを注入することでキャリア制御層４１〜４５を形成することができる。キャリア制御層４１〜４５を形成した後、下地膜１２上にグラフェン膜２１を形成する。正孔を供給するドーパントしてボロン（Ｂ）を用いることができ、電子を供給するドーパントとしてリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）を用いることができる。

または、ＳｉＯ_２膜などの下地膜１２の表面に対する-ＯＨ終端処理や、Ｓｉ-Ｏ-Ｓｉ終端処理により、下地膜１２の表面にキャリア制御層４１〜４５を形成することができる。

または、キャリア制御層４１〜４５として有機分子膜を用いることができる。例えば構造の異なる複数の分子膜を用いることで、グラフェン膜２１へのキャリア注入量が異なる複数の領域４１〜４５を形成することができる。または、異なる密度をもつ、ＳＡＭ（Self-Assembled Monolayer）のような表面単分子修飾で、グラフェン膜２１へのキャリア注入量が異なる複数の領域４１〜４５を形成することができる。

前述した実施形態におけるグラフェン膜２１を用いたセンサにおいて、グラフェン膜２１の表面に超分子を設けることができる。

図３８は、グラフェン膜２１の表面に設けられた超分子１００の模式斜視図である。

超分子１００は、複数の分子が、非共有結合的な分子間相互作用で秩序だって集合した集合体であり、グラフェン膜２１の表面に２次元配置されている。超分子１００は、例えば、塗布法、蒸着法、スプレー法などによって、グラフェン膜２１の表面に形成することができる。

超分子１００を構成する分子として、例えば、Dehydrobenzo[12]annulene(ＤＢＡ)-ＯＣ系の分子が挙げられる。ＤＢＡ-ＯＣ系の超分子は、van der Waals interdigitationによって、グラフェン膜２１の表面に自己整合形成することができる。

図３９は、例えば、ＤＢＡ-ＯＣ１０の分子構造を表す図である。ＤＢＡ-ＯＣ１０は、ＯＣ_１０Ｈ_２１基を有する。

図３８に示すように、超分子１００の一部に、前述したようなプローブ分子３１が結合している。超分子１００によって、プローブ分子３１の位置や密度が制御される。

例えばＤＢＡ-ＯＣ系の超分子１００のＯＣ結合の長さ（Ｃの数）を制御することで、複数のプローブ分子３１の高密度形成が容易となる。これは、検出対象の捕獲確率を上げ、高感度分析を可能とする。

超分子１００は、プローブ分子３１が結合する第１の分子と、プローブ分子３１が結合せず、第１の分子とは異なる種類の第２の分子との少なくとも２種類の分子を含むことができる。

プローブ分子のサイズによっては、プローブ分子の高密度配置はプローブ分子を不活性にする場合があり得る。このような場合、超分子１００における上記第１の分子と第２の分子との割合を制御することでプローブ分子３１の密度を制御し、プローブ分子３１の活性を保ちつつ高密度配置による高感度検出が可能になる。

また、図４０に示すように、プローブ分子は、第１のプローブ分子３１と、第１のプローブ分子３１とは異なる種類の第２のプローブ分子３３とを含み、超分子１００は、第１のプローブ分子３１と結合する第１の分子と、第２のプローブ分子３３と結合し、第１の分子とは異なる種類の第２の分子とを含むことができる。

超分子１００における上記第１の分子と第２の分子との割合を制御することで、種類の異なる第１のプローブ分子３１と第２のプローブ分子３３との割合を制御することができる。

また、図４１に示すように、超分子１００は、プローブ分子３１と結合する第１の分子と、ノイズ源ブロック分子（ブロック膜）３２と結合し、第１の分子とは異なる種類の第２の分子とを含むことができる。

ノイズ源ブロック分子３２は、プローブ分子３１による検出対象とは異なる種類の物質（ノイズ源）の超分子１００やグラフェン膜２１への近接をブロックする分子であり、例えば疑似脂質系分子を用いることができる。

また、図４２に示すように、超分子１００を構成する分子間の隙間にプローブ分子３４を配置することもできる。プローブ分子３４は、超分子１００の隙間を介して、グラフェン膜２１に結合している。超分子１００によって、グラフェン膜２１に結合するプローブ分子３４の位置や密度を制御することができる。

また、図４３に示すように、超分子１００の隙間にプローブ分子３４を配置し、超分子１００にはノイズ源ブロック分子３２を配置することもできる。

また、図４４に示すように、超分子１００を構成する一部の分子の長さを変えて、超分子１００内においてプローブ分子３４を形成できる箇所を制御し、プローブ分子３４の密度を制御することができる。

次に、図４５（ａ）〜図４６（ｃ）を参照して、グラフェン膜２１を用いた実施形態のセンサの具体的な使用方法の一例を説明する。

図４５（ａ）に示す使用開始時の状態において、グラフェン膜２１には、グラフェン膜２１にプローブ分子を固定させるためのリンカー３９が結合されている。リンカー３９は例えば直鎖状の分子であり、リンカー３９の先端には例えばマレイミド基が修飾されている。

次に、図４５（ｂ）に示すように、ブロッキング剤３２を分散させた溶液９１をグラフェン膜２１上に供給する。ブロッキング剤３２は、例えばリン脂質膜である。グラフェンは強い疎水性をもつため、リン脂質膜が速やかにグラフェン膜２１の表面で自己組織化する。

グラフェン膜２１の表面がブロッキング剤３２で被覆された後、溶液９１中に浮遊する余剰のブロッキング剤３２を洗浄する。

次に、ブロッキング剤３２の被覆状態（被覆率）をモニタする。例えば、第１電極（ソース電極）５１と第２電極（ドレイン電極）５２を同電位にして、それら電極５１、５２と、溶液９１に接する上部電極５４との電位差からブロッキング剤（リン脂質膜）３２の抵抗を測定する。例えばリン脂質膜が正常に被覆されるとギガオーム級の高抵抗を示し、被覆欠陥があるとメガオーム級の抵抗を示す。

次に、図４６（ａ）に示すように、プローブ分子３１を分散させた溶液９２をグラフェン膜２１上に供給する。例えば、リンカー３９の先端がマレイミド基で修飾され、プローブ分子３１の末端がチオール基で修飾されている場合には、マレイミドとチオールの付加反応によりリンカー３９にプローブ分子３１が結合し、グラフェン膜２１の表面近傍にプローブ分子３１が固定される。

グラフェン膜２１に固定されるプローブ分子３１が増えていく様子は、グラフェンFETの電気特性によって、モニタすることができる。プローブ分子３１が持つ電荷がグラフェン膜２１に影響を与えてフェルミレベルがシフトするため、第１電極５１と第２電極５２間の電流（ソース・ドレイン間電流）が変化する。すべてのリンカー３９にプローブ分子３１が固定されると、ソース・ドレイン間電流の変化が飽和する。

次に、図４６（ｂ）に示すように、溶液９２中に浮遊する余剰のプローブ分子３１を洗浄する。その後、図４６（ｃ）に示すように、検体液９３をグラフェン膜２１上に供給し、ソース・ドレイン間電流を測定する。

検体液９３中に標的とする分子（検出対象）２００が存在した場合には、標的分子２００はプローブ分子３１に捕獲され、グラフェン膜２１の表面近傍に固定されるため、標的分子２００の電荷の影響でソース・ドレイン間電流が変動する。これにより、検体液９３中の標的分子２００の有無を検出することが可能である。

また、標的分子２００の濃度が高いほど、プローブ分子３１に捕獲される確率が高まるため、ソース・ドレイン間電流の変動が急峻となる。これにより、検体液９３中の標的分子２００の濃度を検出することが可能である。

プローブ分子を使って検体液中の標的分子の濃度を分析する技術としては、ＥＬＩＺＡ（Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay）と呼ばれる方法が知られている。このＥＬＩＺＡに対して、グラフェンセンサを用いた上記方式では、工程フローを短縮できる。また、各工程の評価（ブロッキング剤の品質やプローブ分子の結合状態）をモニタすることが可能となるため、オペレータによる差が出にくく、再現性も高くなる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，２，３，３’…センサ、１０…下地、１１…基板、１２…下地膜、１３…保護膜、２１…グラフェン膜、２２…開口、２５…センサ素子、３１，３３，３４，３５…プローブ分子、３２…ブロック分子、４１〜４５…キャリア制御層、６０…液状物、６１…酵素、７１ａ…薄膜、７１ｃ…貫通孔、１００…超分子

Claims (21)

1. ジグザグエッジとアームチェアエッジのいずれかを支配的にもつ開口が形成されたグラフェン膜と、
   前記グラフェン膜に電気的に接触し、検出対象との相互作用による前記グラフェン膜の電気的特性の変化を読み出すための少なくとも２つの電極と、
   を備えたセンサ。
2. 前記開口の概形は多角形であり、
   前記多角形の辺に対応する部分に前記ジグザグエッジまたは前記アームチェアエッジが支配的に現れている請求項１記載のセンサ。
3. 前記開口の概形は六角形である請求項２記載のセンサ。
4. 前記グラフェン膜に吸着または結合したプローブ分子をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載のセンサ。
5. 少なくとも１つの開口が形成されたグラフェン膜と、
   前記開口のエッジに結合したプローブ分子と、
   前記グラフェン膜に電気的に接触し、前記プローブ分子と検出対象との会合、解離、または反応が生じた際の前記グラフェン膜の電気的特性の変化を読み出すための少なくとも２つの電極と、
   を備え、
   １つの前記開口には２つ以下の前記プローブ分子が結合しているセンサ。
6. 前記グラフェン膜の表面に、前記開口のエッジに結合したプローブ分子とは異なる種類のプローブ分子が吸着または結合している請求項５記載のセンサ。
7. 前記開口は、ジグザグエッジとアームチェアエッジの少なくともいずれかをもつ請求項５記載のセンサ。
8. 前記プローブ分子は、前記開口の前記ジグザグエッジと前記アームチェアエッジのいずれか一方に結合している請求項４または７に記載のセンサ。
9. 前記プローブ分子は、前記ジグザグエッジまたは前記アームチェアエッジに共有結合している請求項８記載のセンサ。
10. 前記ジグザグエッジと前記アームチェアエッジの他方には、前記プローブ分子の結合をブロックするブロック分子が結合している請求項８記載のセンサ。
11. 前記ジグザグエッジと前記アームチェアエッジのそれぞれに異なる種類のプローブ分子が結合している請求項４または７に記載のセンサ。
12. 前記グラフェン膜の端部を覆う保護膜をさらに備えた請求項１〜１１のいずれか１つに記載のセンサ。
13. 表面電荷の変化を電気的に検出するセンサ素子と、
    前記センサ素子の表面に接触して前記センサ素子上に設けられた液状物であって、特定の物質を選択的に認識する特性を持ったプローブ分子と水とを含む液状物と、
    前記液状物を覆い、複数の貫通孔を有する薄膜と、
    を備えたセンサ。
14. 前記センサ素子は、グラフェン膜を含む請求項１３記載のセンサ。
15. 前記グラフェン膜の近傍に設けられ、前記グラフェン膜中のキャリア量を制御するキャリア制御層をさらに備えた請求項１〜１２のいずれか１つに記載のセンサ。
16. 前記キャリア制御層は、前記グラフェン膜へのキャリア注入量が異なる複数の領域を有する請求項１５記載のセンサ。
17. 前記グラフェン膜は下地膜上に設けられ、
    前記下地膜に前記キャリア制御層が設けられている請求項１５または１６に記載のセンサ。
18. グラフェン膜と、
    前記グラフェン膜の表面に設けられた超分子と、
    前記グラフェン膜および前記超分子の少なくとも一方に結合したプローブ分子と、
    前記グラフェン膜に電気的に接触し、前記プローブ分子と検出対象との会合、解離、または反応が生じた際の前記グラフェン膜の電気的特性の変化を読み出すための少なくとも２つの電極と、
    を備えたセンサ。
19. 前記超分子は、
    前記プローブ分子と結合する第１の分子と、
    前記プローブ分子が結合せず、前記第１の分子とは異なる種類の第２の分子と、
    を含む請求項１８記載のセンサ。
20. 前記プローブ分子は、
    第１のプローブ分子と、
    前記第１のプローブ分子とは異なる種類の第２のプローブ分子と、
    を含み、
    前記超分子は、
    前記第１のプローブ分子と結合する第１の分子と、
    前記第２のプローブ分子と結合し、前記第１の分子とは異なる種類の第２の分子と、
    を含む請求項１８記載のセンサ。
21. 前記超分子は、
    前記プローブ分子と結合する第１の分子と、
    ノイズ源ブロック分子と結合し、前記第１の分子とは異なる種類の第２の分子と、
    を含む請求項１８記載のセンサ。

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