JP2022154947A - Biomaterial detection sensor and method for detecting biomaterial - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生体物質検出センサ及び生体物質検出方法に関する。 The present invention relates to a biological substance detection sensor and a biological substance detection method.
mRNA/DNAなどの生体物質を検出する方法として、PCR法(polymerase chain reaction)や次世代シーケンシング(next generation sequencing)が知られている。PCR法は、DNA配列上の特定の領域(目的領域)を、耐熱性DNAポリメラーゼを用いて増幅させる方法であり、DNA1分子から検出可能であるため、DNAの特定配列を高感度で検出することが可能となっている。また、次世代シーケンシングは、DNAを断片化してライブラリーを調製し、ライブラリーのDNA断片を並列にシーケンスする方法であり、DNAの全ての配列を1分子から網羅的に解読することが可能となっている。これらの生体物質の検出方法は、検出時間が掛かる。 PCR (polymerase chain reaction) and next generation sequencing are known as methods for detecting biological substances such as mRNA/DNA. The PCR method is a method of amplifying a specific region (target region) on a DNA sequence using a heat-stable DNA polymerase, and since it can be detected from a single DNA molecule, it can detect a specific DNA sequence with high sensitivity. is possible. Next-generation sequencing is a method in which DNA is fragmented to prepare a library, and the DNA fragments in the library are sequenced in parallel, making it possible to comprehensively decode all DNA sequences from a single molecule. It has become. These detection methods for biosubstances require a long detection time.
DNAなどの生体物質を短時間で検出する方法として、薄膜トランジスタ(TFT:thin film transistor)構造のセンサを用いることが検討されている。例えば、ホモオリゴマーDNA鎖を3-アミノプロピルエトシキシランを用いて固定し、一定のドレイン電流下におけるゲート電位の変位によって、上記オリゴマー鎖とのハイブリダイゼーションを直接的に検出する方法が報告されている(非特許文献1)。 As a method for detecting biological substances such as DNA in a short period of time, the use of a sensor having a thin film transistor (TFT) structure is being studied. For example, a method has been reported in which homo-oligomer DNA strands are immobilized using 3-aminopropylethoxysilane, and hybridization with the above-mentioned oligomer strands is directly detected by the displacement of the gate potential under constant drain current. (Non-Patent Document 1).
生体物質検出センサにおいて、試料は検出目的の生体物質以外の生体物質が共存した混合物(液体)である。このため、生体物質検出センサでは、検出目的の生体物質に対する選択性に優れ、かつ高感度で検出限界が低いことが望ましい。しかしながら、非特許文献1に記載の薄膜トランジスタ構造のセンサは、検出限界が1μg/mL程度であり、さらなる感度の向上が望まれる。
In the biosubstance detection sensor, the sample is a mixture (liquid) in which biosubstances other than the biosubstance to be detected coexist. Therefore, it is desirable that the biosubstance detection sensor has excellent selectivity for the biosubstance to be detected, high sensitivity, and a low detection limit. However, the thin-film transistor structure sensor described in Non-Patent
本発明の目的は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、検出目的の生体物質に対する選択性に優れ、かつ高感度で検出限界が低い生体物質検出センサ及び生体物質検出方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a biosubstance detection sensor and a biosubstance detection method which are excellent in selectivity to a target biosubstance and have high sensitivity and a low detection limit. That's what it is.
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、第1電極と、第2電極と、第3電極と、この第1電極と第2電極とを接続する有機半導体膜と、この有機半導体膜に積層されている無機固体電解質膜とを有し、上記の有機半導体膜及び無機固体電解質膜のうちいずれか一方又はその双方の少なくとも一部は外部に露出し、その露出した部分に第3電極が接続している構成のセンサは、従来の薄膜トランジスタ構造のセンサと比較して、検出目的の物質に対する選択性に優れ、かつ高感度で検出限界が低いことを見出し、本発明を完成させた。 As a result of intensive research, the present inventors have discovered a first electrode, a second electrode, a third electrode, an organic semiconductor film connecting the first electrode and the second electrode, and the organic semiconductor film. At least a portion of one or both of the organic semiconductor film and the inorganic solid electrolyte film is exposed to the outside, and a third electrode is formed on the exposed portion. The inventors have found that the connected sensor has superior selectivity to the substance to be detected, high sensitivity, and a low detection limit as compared with the conventional thin-film transistor structure sensor, and completed the present invention.
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。 That is, the present invention provides the following means in order to solve the above problems.
[1]第1電極と、第2電極と、第3電極と、前記第1電極と前記第2電極とを接続する有機半導体膜と、前記有機半導体膜に積層されている無機固体電解質膜と、を有し、
前記有機半導体膜及び前記無機固体電解質膜のうちいずれか一方又はその双方の少なくとも一部が外部に露出している露出部を有し、
前記第3電極は、少なくとも一部が前記露出部に接続している、生体物質検出センサ。
[1] A first electrode, a second electrode, a third electrode, an organic semiconductor film connecting the first electrode and the second electrode, and an inorganic solid electrolyte film laminated on the organic semiconductor film , has
At least a part of one or both of the organic semiconductor film and the inorganic solid electrolyte film has an exposed portion exposed to the outside,
The biological substance detection sensor, wherein at least a portion of the third electrode is connected to the exposed portion.
[2]前記第1電極、前記第2電極、及び前記第3電極が前記無機固体電解質膜の上に配置されている、上記[1]に記載の生体物質検出センサ。 [2] The biological substance detection sensor according to [1] above, wherein the first electrode, the second electrode, and the third electrode are arranged on the inorganic solid electrolyte membrane.
[3]前記無機固体電解質膜がプロトン導電性である、上記[1]または[2]に記載の生体物質検出センサ。 [3] The biological substance detection sensor according to [1] or [2] above, wherein the inorganic solid electrolyte membrane is proton conductive.
[4]前記無機固体電解質膜が、希土類元素とジルコニウム(Zr)とを含む金属酸化物、及び希土類元素とタンタル(Ta)とを含む金属酸化物のうちのいずれかで形成されており、前記無機固体電解質膜中の炭素(C)の含有率が、0.5atom%以上15atom%以下であり、且つ、前記無機固体電解質膜中の水素(H)の含有率が2atom%以上20atom%以下である、上記[1]~[3]のいずれかに記載の生体物質検出センサ。 [4] The inorganic solid electrolyte membrane is formed of either a metal oxide containing a rare earth element and zirconium (Zr) or a metal oxide containing a rare earth element and tantalum (Ta), The content of carbon (C) in the inorganic solid electrolyte membrane is 0.5 atom % or more and 15 atom % or less, and the content of hydrogen (H) in the inorganic solid electrolyte membrane is 2 atom % or more and 20 atom % or less. The biological substance detection sensor according to any one of [1] to [3] above.
[5]前記無機固体電解質膜は、イオン伝導率が1×10-8S/cm以上であることを特徴とする、上記[1]~[4]のいずれかに記載の生体物質検出センサ。 [5] The biological substance detection sensor according to any one of [1] to [4] above, wherein the inorganic solid electrolyte membrane has an ionic conductivity of 1×10 −8 S/cm or more.
[6]前記有機半導体膜が、多環芳香族炭化水素もしくはチエノアセン系化合物である、上記[1]~[5]のいずれかに記載の生体物質検出センサ。 [6] The biological substance detection sensor according to any one of [1] to [5] above, wherein the organic semiconductor film is a polycyclic aromatic hydrocarbon or a thienoacene compound.
[7]前記有機半導体膜及び前記無機固体電解質膜のうちいずれか一方又はその双方の前記露出部は、生体物質を直接的又は間接的に捕捉する捕捉場を有する、上記[1]~[6]のいずれかに記載の生体物質検出センサ。 [7] The exposed portion of either or both of the organic semiconductor film and the inorganic solid electrolyte film has a capture field that directly or indirectly captures a biological substance, above [1] to [6] ] The biological substance detection sensor according to any one of the above.
[8]前記捕捉場は、前記生体物質を捕捉するためのプローブ分子が固定されている、上記[7]に記載の生体物質検出センサ。 [8] The biosubstance detection sensor according to [7] above, wherein probe molecules for capturing the biosubstance are immobilized in the capture field.
[9]さらに、前記露出部の周囲に、生体物質を含む液体を保持可能な保持部を備える、上記[1]~[8]のいずれかに記載の生体物質検出センサ。 [9] The biological substance detection sensor according to any one of [1] to [8] above, further comprising a holding portion capable of holding a liquid containing a biological substance around the exposed portion.
[10]さらに、前記無機固体電解質膜の少なくとも一部に接触している導電性材料膜を備え、前記導電性材料膜は前記第1電極、前記第2電極及び前記第3電極に対して電気的に独立している、上記[1]~[9]のいずれかに記載の生体物質検出センサ。 [10] Further, a conductive material film is provided in contact with at least a part of the inorganic solid electrolyte film, and the conductive material film is electrically connected to the first electrode, the second electrode, and the third electrode. The biosubstance detection sensor according to any one of [1] to [9] above, which is physically independent.
[11]上記[1]~[10]のいずれかに記載の生体物質検出センサを用いた生体物質検出方法であって、
前記露出部に生体物質を含む液体を供給する工程と、
前記第3電極と前記第1電極との間に電圧を印加すると共に、前記第1電極-前記第2電極間の電流を測定し、前記第3電極-前記第1電極間の電圧と、前記第1電極-前記第2電極間の電流とに基づいて前記生体物質を検出する工程と、を含む、生体物質検出方法。
[11] A biosubstance detection method using the biosubstance detection sensor according to any one of [1] to [10] above,
a step of supplying a liquid containing a biological substance to the exposed portion;
A voltage is applied between the third electrode and the first electrode, a current between the first electrode and the second electrode is measured, a voltage between the third electrode and the first electrode, and the and detecting the biological material based on the current between the first electrode and the second electrode.
本発明によれば、検出目的の物質に対する選択性に優れ、かつ高感度で検出限界が低い生体物質検出センサ及び生体物質検出方法を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the biosubstance detection sensor and the biosubstance detection method which are excellent in the selectivity with respect to the substance of the detection objective, and which have high sensitivity and a low detection limit.
以下、本発明の一実施形態である生体物質検出センサ及び生体物質検出方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本実施形態の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。 A biosubstance detection sensor and a biosubstance detection method according to an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. In the drawings used in the following description, characteristic parts may be enlarged for the sake of convenience in order to make it easier to understand the characteristics of this embodiment, and the dimensional ratios of each component may differ from the actual ones. There is
[生体物質検出センサの構成]
図1は、本発明の第1実施形態に係る生体物質検出センサの構成の一例を示す平面図であり、図2は、図1のII-II’線断面図である。
図1及び図2に示すように、生体物質検出センサ10aは、基板11と、導電性材料膜12と、無機固体電解質膜13と、第1電極15と、第2電極16と、第3電極17と、有機半導体膜14とを有する。導電性材料膜12は、基板11の一方の面(図2では、上面)に積層されている。無機固体電解質膜13は、導電性材料膜12の基板11とは反対側の面に積層されている。第1電極15、第2電極16及び第3電極17は、無機固体電解質膜13の上に配置されている。有機半導体膜14は、第1電極15と第2電極16との間に配置されていて、第1電極15と第2電極16とを接続する。また、第1電極15と第2電極16との間にある有機半導体膜14は、無機固体電解質膜13の上に積層されている。第3電極17は、第1電極15及び第2電極16と電気的に接続しない位置に配置されている。第1電極15と第2電極16と有機半導体膜14は、センサ片19 を構成する。図1の生体物質検出センサ10aでは、センサ片19は3つ配置されている。3つのセンサ片19は、それぞれ第3電極17との距離が同じとなるように配置されている。第1電極15は第1リード線15aを介して第1端子15bに接続している。第2電極16は第2リード線16aを介して第2端子16bに接続している。第3電極17は第3リード線17aを介して第3端子17bに接続している。第1端子15b、第2端子16b、第3端子17bは、同一の端部に配置されている。
[Configuration of biological substance detection sensor]
FIG. 1 is a plan view showing an example of the configuration of the biological substance detection sensor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II' of FIG.
As shown in FIGS. 1 and 2, the biological
無機固体電解質膜13、第1電極15、第2電極16、第1リード線15a、第2リード線16a、第3リード線17aは、表面が絶縁被膜18で被覆されている。有機半導体膜14、有機半導体膜14の周囲の無機固体電解質膜13の一部、第3電極17は、絶縁被膜で被覆されておらず、外部に露出して、露出部20を形成している。露出部20を形成している有機半導体膜14、有機半導体膜14の周囲の無機固体電解質膜13は、検出対象の生体物質を直接的又は間接的に捕捉する捕捉場21を有することが好ましい。捕捉場21は、検出対象の生体物質を捕捉するためのプローブ分子1が固定されていることが好ましい。露出部20は、壁部22で囲まれている。壁部22は、露出部20の上部に生体物質を含む液体を保持可能な保持部を形成する。
Surfaces of the inorganic
基板11は、例えば、絶縁性基板及び半導体基板を用いることができる。絶縁性基板の例としては、高耐熱ガラス、アルミナ(Al2O3)基板、STO(SrTiO)基板、SiO2/Si基板(Si基板上にSiO2膜を形成したもの)、Si基板の表面にSiO2層及びTi層を介してSTO(SrTiO)層を形成した多層基板を挙げることができる。半導体基板の例としては、Si基板、SiC基板、Ge基板を挙げることができる。基板11の厚みは、特に限定されないが、例えば10μm以上1mm以下である。
For the
導電性材料膜12は、導電性材料を含む導電性材料膜である。導電性材料膜12は、導電性材料のみから形成されていてもよい。導電性材料としては、例えば、金属材料及び金属酸化物を用いることができる。金属材料の例としては、白金(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、タングステン(W)、チタン(Ti)、及びこれらの金属の合金を挙げることができる。金属酸化物の例としては、インジウム錫酸化物(ITO)、酸化ルテニウム(RuO2)を挙げることができる。導電性材料膜12は、単層体であってもよいし、複数の導電性材料膜を積層させた複層体であってもよい。導電性材料膜12の厚みは、特に限定されないが、例えば50nm以上200nm以下である。
The
導電性材料膜12は、無機固体電解質膜13の少なくとも一部に接触していることが好ましい。また、導電性材料膜12は、無機固体電解質膜13以外とは電気的に絶縁されていてもよい。導電性材料膜12は第1電極15、第2電極16及び第3電極17に対して電気的に独立していてもよい。導電性材料膜12は、例えば、無機固体電解質膜13の内部に配置されていてもよい。
It is preferable that the
無機固体電解質膜13は、固体電解質を含む。無機固体電解質膜13は、無機固体電解質のみから形成されていることが好ましい。無機固体電解質膜13は、例えば、希土類元素とジルコニウム(Zr)とを含む金属酸化物、及び希土類元素とタンタル(Ta)とを含む金属酸化物のうちのいずれかで形成されることができる。また、無機固体電解質膜13中の炭素(C)の含有率は、0.5atom%以上15atom%以下であり、且つ、無機固体電解質膜13中の水素(H)の含有率が2atom%以上20atom%以下であってもよい。無機固体電解質膜13が上記金属酸化物で構成され、且つ無機固体電解質膜13中の炭素(C)及び水素(H)の含有率が共に上記範囲内であると、有機半導体膜14を構成する後述の金属酸化物との組み合わせによって、生体物質検出センサ10aが高感度となって検出限界が大幅に低くなり、また、水分等の存在下での検出の安定性が高くなる。の特性をより向上させる観点から、上述の炭素(C)の含有率が1atom%以上10atom%以下となり、且つ、その無機固体電解質膜13中の水素(H)の含有率が5atom%以上18atom%以下にしてもよい。
The inorganic
無機固体電解質膜13は、イオン伝導率が1×10-8S/cm以上であることが好ましい。無機固体電解質膜13のイオン伝導率は1×10-2S/cm以下であってもよい。具体的には、無機固体電解質膜13は、例えば、以下の(A1)~(A5)のうちのいずれかで形成されることができる。
(A1)ランタン(La)とジルコニウム(Zr)とを含む金属酸化物
(A2)ランタン(La)とタンタル(Ta)とを含む金属酸化物
(A3)セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)及びイットリウム(Y)からなる群から選択されるいずれかの金属元素と、ジルコニウム(Zr)またはタンタル(Ta)とを含む金属酸化物
(A4)ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)及びアルミニウム(Al)からなる群から選択される少なくとも1種類の金属元素を含む金属酸化物
(A5)ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)を含有する酸化物
The inorganic
(A1) metal oxide containing lanthanum (La) and zirconium (Zr) (A2) metal oxide containing lanthanum (La) and tantalum (Ta) (A3) cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), lutetium (Lu) and any metal element selected from the group consisting of yttrium (Y) and a metal oxide containing zirconium (Zr) or tantalum (Ta) (A4) hafnium (Hf), zirconium (Zr) and Metal oxide containing at least one metal element selected from the group consisting of aluminum (Al) (A5) Oxide containing lanthanum (La), hafnium (Hf), and zirconium (Zr)
例えば、無機固体電解質膜13が、ランタン(La)とジルコニウム(Zr)とを含む金属酸化物で形成される場合(A1)、無機固体電解質膜13におけるランタン(La)とジルコニウム(Zr)との原子数比は、特に限定されないが、例えば、ランタン(La)を1としたときにジルコニウム(Zr)が、0.43以上2.33以下であることが好ましく、1以上2.33以下であることが更に好ましい。無機固体電解質膜13におけるランタン(La)とジルコニウム(Zr)との原子数比が上記範囲内であることにより、高いセンシング性能(代表的には、高い電界効果移動度、高いゲートキャパシタ容量)を得ることができる。また、無機固体電解質膜13が、ランタン(La)とタンタル(Ta)とを含む金属酸化物で形成される場合(A2)、無機固体電解質膜13におけるランタン(La)とタンタル(Ta)との原子数比についても、特に限定されない。更に、無機固体電解質膜13が上記(A3)~(A5)のいずれかの金属酸化物で形成される場合も、各金属元素の原子数比は、特に限定されない。
For example, when the inorganic
上記各種の原子組成比は、ラザフォード後方散乱分光法(RBS法)等を用いて、元素分析を行うことにより求める。特に、炭素(C)と水素(H)の含有率については、National Electrostatics Corporation 製 Pelletron 3SDHを用いて、ラザフォード後方散乱分光法(Rutherford Backscattering Spectrometry:RBS分析法)、水素前方散乱分析法(Hydrogen Forward scattering Spectrometry:HFS分析法)、及び核反応解析法(Nuclear Reaction Analysis:NRA分析法)を用いて元素分析を行うことにより求める。 The various atomic composition ratios described above are determined by performing elemental analysis using Rutherford backscattering spectroscopy (RBS method) or the like. In particular, the content of carbon (C) and hydrogen (H) was analyzed by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS analysis method) and Hydrogen Forward Scattering Spectrometry (RBS analysis method) using Pelletron 3SDH manufactured by National Electrostatics Corporation. elemental analysis using scattering spectrometry (HFS analysis method) and nuclear reaction analysis (NRA analysis method).
無機固体電解質膜13は、例えば、上記金属酸化物のうちのいずれかで形成される単層で構成されることができる。無機固体電解質膜13がランタン(La)とジルコニウム(Zr)とからなる金属酸化物の層で構成される場合、LZO層とも呼ばれる。また、無機固体電解質膜13がランタン(La)とタンタル(Ta)とからなる金属酸化物の層で構成される場合、LTO層とも呼ばれる。
The inorganic
無機固体電解質膜13の厚みは、特に限定されないが、例えば50nm以上300nm以下である。無機固体電解質膜13の厚みが300nmを超えると、有機半導体膜14の界面特性に影響を及ぼす可能性があるため好ましくない。一方、その厚みが50nm未満であると、リーク電流増加や膜の基板への被覆性劣化などの観点から好ましくない。
Although the thickness of the inorganic
有機半導体膜14は、有機半導体を含む。有機半導体膜14は、有機半導体のみから形成されていることが好ましい。有機半導体は、多環芳香族炭化水素もしくはチエノアセン系化合物であることが好ましい。
The
多環芳香族炭化水素は、ベンゼン環を4つ以上含むことが好ましい。多環芳香族炭化水素は、アセンであることが好ましいアセンは置換基(例えば、フェニル基)を有していてもよい。多環芳香族炭化水素の例としては、ペンタセン、ルブレンを挙げることができる。チエノアセン系化合物の例としては、BTBT、DNTT、C8-DNTT、C10-DNBOTを挙げることができる。これらの有機半導体は、一種を単独で用いてもよいし、二種を組み合わせて用いてもよい。有機半導体膜14が上記の有機半導体で形成されることで、無機固体電解質膜13の上記の無機固体電解質との組み合わせによって、生体物質検出センサ10aの感度が大幅に向上して検出限界が大幅に低くなり、また、水分等の存在下での検出の安定性を高くすることが可能となる。
The polycyclic aromatic hydrocarbon preferably contains 4 or more benzene rings. The polycyclic aromatic hydrocarbon is preferably acene. Acene may have a substituent (for example, a phenyl group). Examples of polycyclic aromatic hydrocarbons include pentacene and rubrene. Examples of thienoacene-based compounds include BTBT, DNTT, C8-DNTT, and C10-DNBOT. These organic semiconductors may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 types. By forming the
有機半導体膜14を構成する有機半導体は、アモルファス相あるいはナノ結晶相であることが好ましい。有機半導体膜14を構成する有機半導体をアモルファス相あるいはナノ結晶相とすることによって、有機半導体膜14はアモルファス相である無機固体電解質膜13との良好な界面状態が得られる。その結果、良好な電気特性を備えた生体物質検出センサ10aが形成され得る。
The organic semiconductor forming the
有機半導体膜14は、例えば上記有機半導体で形成された単層で構成されることができる。有機半導体膜14の厚みは、特に限定されないが、確度高く無機固体電解質膜13等を覆う観点、及び有機半導体膜14の導電性の変調を容易にする観点から、例えば5nm以上80nm以下であるのが好ましい。
The
有機半導体膜14の幅は、より大きい方がノイズの観点で有利であるが、例えば100μm以上であり、一例としては1000μmである。有機半導体膜14の長さLは、例えば50μm以上200μm以下である。
The width of the
また、本実施形態では、有機半導体膜14は、第1電極15及び第2電極16のいずれよりも薄い膜厚を有しているが、これに限らず、第1電極15及び第2電極16を同じ膜厚を有してもよいし、あるいはそれらよりも厚い膜厚を有してもよい。
Further, in the present embodiment, the
第1電極15、第2電極16及び第3電極17の電極材料としては、金属材料及び金属酸化物を用いることができる。金属材料の例としては、白金(Pt)などの高融点金属、及びその合金を挙げることができる。金属酸化物の例としては、インジウム錫酸化物(ITO)、酸化ルテニウム(RuO2)を挙げることができる。第1電極15、第2電極16及び第3電極17はそれぞれ、単層体であってもよいし、複数の電極層を積層させた複層体であってもよい。第1電極15、第2電極16及び第3電極17の厚みは、特に限定されないが、例えば、50nm以上200nm以下である。
As electrode materials for the
絶縁被膜18の材料は、有機物であってもよいし、無機物であってもよい。有機物の例としては、ポリイミド、エポキシ樹脂などを挙げることができる。無機物の例としては、アルミナ、シリカなどを挙げることができる。絶縁被膜18の厚みは、特に限定されないが、例えば、50nm以上5000nm以下である。
The material of the insulating
壁部22の材料は、有機物であってもよいし、無機物であってもよい。有機物の例としては、ポリイミド、エポキシ樹脂などを挙げることができる。無機物の例としては、アルミナ、シリカなどを挙げることができる。絶縁被膜18の高さは、特に限定されないが、例えば、0.10mm以上5mm以下である。
The material of the
[生体物質検出センサの製造方法]
生体物質検出センサ10aは、例えば、次のようにして製造することができる。
(1)導電性材料膜12の形成
先ず基板11(例えば、SiO2/Si基板)上に、導電性材料膜12を形成する。導電性材料膜12の形成方法としては、スパッタリング法を用いることができる。
[Manufacturing method of biological substance detection sensor]
The biological
(1) Formation of
(2)無機固体電解質膜13の形成
次に、導電性材料膜12の上に無機固体電解質膜13を形成する。無機固体電解質膜13は、例えば、導電性材料膜12の上に無機固体電解質膜用前駆体液を塗布し、得られた塗布膜を加熱することによって形成することができる。無機固体電解質膜用前駆体液としては、無機固体電解質膜13を構成する無機固体電解質の材料が溶解もしくは分散されている液体を用いることができる無機固体電解質膜用前駆体液の塗布方法としては、例えば、スピンコーティング法、インクジェット印刷法、ナノインプリント法などを用いることができる。塗布膜の加熱温度は、無機固体電解質膜用前駆体液の溶媒が揮発して、無機固体電解質膜13が生成する温度であれば特に制限はない。このため、無機固体電解質膜用前駆体液の溶媒として低沸点の溶媒を用いることによって、比較的低温度の加熱によって無機固体電解質膜13を形成することができるので、材料の選択の幅が広くなる。
(2) Formation of Inorganic
無機固体電解質の材料としては、例えば、塩化物、硝酸塩、酢酸塩、オクチル酸塩、アルコキシドを用いることができる。また、最終的に形成される無機固体電解質膜13中の炭素(C)の含有率が0.5atom%以上15atom%以下となり、且つ、その無機固体電解質膜13中の水素(H)の含有率が2atom%以上20atom%以下となるように無機固体電解質膜用前駆体液は調整されていてもよい。具体的には、無機固体電解質膜用前駆体液を次の(2-1)~(2-3)に示す方法で調整してもよい。
(2-1)110℃で30分間の加熱によって、プロピオン酸に酢酸ランタンを溶解させ、0.2mol/kgの溶液を得る。
(2-2)110℃で30分間の加熱によって、プロピオン酸にジルコニウムブトキシドを溶解させ、0.2mol/kgの溶液を得る。
(2-3)上記(2-1)及び(2-2)の各溶液を室温において混合する。
As materials for the inorganic solid electrolyte, for example, chlorides, nitrates, acetates, octylates, and alkoxides can be used. In addition, the content of carbon (C) in the finally formed inorganic
(2-1) Dissolve lanthanum acetate in propionic acid by heating at 110° C. for 30 minutes to obtain a 0.2 mol/kg solution.
(2-2) Dissolve zirconium butoxide in propionic acid by heating at 110° C. for 30 minutes to obtain a 0.2 mol/kg solution.
(2-3) Mix the above solutions (2-1) and (2-2) at room temperature.
(3)電極パターンの形成
次に、無機固体電解質膜13の上に、電極パターン(第1電極15、第1リード線15a、第1端子15b、第2電極16、第2リード線16a、第2端子16b、第3電極17、第3リード線17a、第3端子17b)を形成する。電極パターンは、例えば、無機固体電解質膜13の上に、フォトリソグラフィー法によってパターニングされたレジスト膜を形成し、次いで、レジスト膜を含む無機固体電解質膜13の上に電極膜を形成した後、レジスト膜を除去する方法によって形成することができる。電極膜の形成方法としては、例えば、スパッタリング法を用いることができる。
(3) Formation of electrode pattern Next, an electrode pattern (
(4)有機半導体膜14の形成
次に、第1電極15と第2電極16との間に有機半導体膜14を形成する。有機半導体膜14は、例えば、無機固体電解質膜13の上に、フォトリソグラフィー法によってパターニングされたレジスト膜を形成し、次いで、レジスト膜を含む無機固体電解質膜13の上に有機半導体膜を形成した後、レジスト膜を除去する方法によって形成することができる。有機半導体膜は、例えば、有機半導体膜用前駆体液を塗布し、得られた塗布膜を加熱することによって形成することができる。有機半導体膜用前駆体液としては、有機半導体膜14を構成する有機半導体の材料が溶解もしくは分散されている液体を用いることができる。有機半導体膜用前駆体液の塗布方法としては、例えば、スピンコーティング法、インクジェット印刷法、ナノインプリント法などを用いることができる。塗布膜の加熱温度は、有機半導体膜用前駆体液の溶媒が揮発して、有機半導体膜14が生成する温度であれば特に制限はない。このため、有機半導体膜用前駆体液の溶媒として低沸点の溶媒を用いることによって、比較的低温度の加熱によって有機半導体膜14を形成することができるので、材料の選択の幅が広くなる。
(4) Formation of
(5)絶縁被膜18の形成
次に、無機固体電解質膜13と第1電極15、第1リード線15a、第2電極16、第2リード線16a、第3リード線17aの上に絶縁被膜18を形成する。絶縁被膜18は、例えば、無機固体電解質膜13の上に、フォトリソグラフィー法によってパターニングされたレジスト膜を形成し、次いで、レジスト膜を含む無機固体電解質膜13の上に絶縁被膜を形成した後、レジスト膜を除去する方法によって形成することができる。絶縁被膜は、例えば、絶縁被膜用前駆体液を塗布し、得られた塗布膜を加熱することによって形成することができる。絶縁被膜用前駆体液としては、絶縁被膜18を構成する材料が溶解もしくは分散されている液体を用いることができる。絶縁被膜18を構成する材料として、加熱によって絶縁被膜18を生成する化合物を用いてもよい。絶縁被膜用前駆体液の塗布方法としては、スピンコーティング法、インクジェット印刷法、ナノインプリント法などを用いることができる。塗布膜の加熱温度は、絶縁被膜用前駆体液の溶媒が揮発して、絶縁被膜18が生成する温度であれば特に制限はない。絶縁被膜18を形成することによって、絶縁被膜18で被覆されずに外部に露出した露出部20が形成される。
(5) Formation of insulating
(6)壁部22の形成
次に、壁部22を、露出部20を囲うように形成する。壁部22は、あらかじめ筒状に形成された壁部材を、絶縁被膜18に接合することによって形成することができる。
(6) Formation of
[生体物質検出方法]
生体物質検出センサ10aを用いた生体物質検出方法について説明する。
図3は、図1に示す生体物質検出センサを用いた生体物質検出方法を説明する模式図であって、(a)は、生体物質検出センサを図1のII-II’線に沿って見た拡大断面図であり、(b)は、(a)の拡大図である。また、図4は、図1に示す生体物質検出センサを用いた生体物質検出方法を説明する模式図であって、生体物質検出センサを図1のIV-IV’線に沿って見た拡大図である。
[Biological substance detection method]
A biological substance detection method using the biological
3A and 3B are schematic diagrams for explaining a biological substance detection method using the biological substance detection sensor shown in FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view, and (b) is an enlarged view of (a). 4 is a schematic diagram for explaining a biological substance detection method using the biological substance detection sensor shown in FIG. 1, and is an enlarged view of the biological substance detection sensor along line IV-IV' of FIG. is.
図3及び図4に示すように、壁部22の内側に、検出対象の生体物質2を含む液体Lqを注液する。これにより、生体物質検出センサ10aの露出部20(有機半導体膜14、有機半導体膜14の周囲の無機固体電解質膜13の一部、第3電極17)と生体物質2を含む液体Lqとが接触する。生体物質2は、例えば、DNAやmRNAなどの核酸である。生体物質2を含む液体Lqは、例えば、緩衝液と、核酸を含む血清との混合液である。
As shown in FIGS. 3 and 4, a liquid Lq containing the
生体物質2は、有機半導体膜14及び無機固体電解質膜13の一部に固定されているプローブ分子1と特異的に捕捉される。これによって、検出目的の生体物質を高い選択性で検出することができる。
The
その後、プローブ分子1に捕捉されなかった生体物質(検出対象でない生体物質)、あるいは非特異的に捕捉されている生体物質等を洗浄液で洗浄するのが好ましい。洗浄後、生体物質検出センサ10aの露出部に、緩衝液などの測定液を供給する。これにより、有機半導体膜14と第3電極17とが測定液を介して電気的に接続可能となる。
After that, it is preferable to wash the biological substances not captured by the probe molecules 1 (biological substances not to be detected) or non-specifically captured biological substances with a washing liquid. After washing, a measurement solution such as a buffer solution is supplied to the exposed portion of the biological
次いで、第1電極15と第2電極16との間に電圧VDSを印加し、次いで、第1電極15と第3電極17との間に電圧VTGを印加する。有機半導体膜14及び無機固体電解質膜13のプローブ分子1に検出目的の生体物質2が捕捉された状態で、有機半導体膜14に電圧VDSが印加されることによって、第1電極15と第2電極16との間を流れる電流IDSが変化する。この電流IDSの変化に応じてVTG-IDS特性の変化が検出される。これにより、プローブ分子1に捕捉された生体物質2の量を定量することができる。
A voltage V DS is then applied between the
本実施形態の生体物質検出センサ10aでは、図4に示すように、有機半導体膜14の表面に固定されたプローブ分子1に捕捉された生体物質2の電荷が作る電界(矢印D1)とともに、無機固体電解質膜13の内部をイオンが動くことで、無機固体電解質膜13の表面に捕捉されたプローブ分子1に捕捉された生体物質2の電荷が作る電界(矢印D2)が有機半導体膜14に伝わり、電気特性の変化に寄与できる(アンテナ効果)。これにより、より多くの生体物質2の電荷が作る電界が有機半導体膜14に集積することで、感度と安定性が向上する。
In the
また、本実施形態の生体物質検出センサ10aでは無機固体電解質膜13に接触する形で、電子伝導性を持つ導電性材料膜12を有することにより、より早く、より遠く、より多くの捕捉された生体物質2の電荷が作る電界を有機半導体膜14に伝える効果がある。なお、本実施形態の生体物質検出センサ10aでは、導電性材料膜12に電圧を印加していないが、導電性材料膜12に電圧VBGを印加してもよい。
In addition, in the biological
以上のような構成とされた本実施形態の生体物質検出センサ10aによれば、無機固体電解質膜13は無機固体電解質を含み、有機半導体膜14は有機半導体を含むので、増幅を必要とせず、感度が大幅に向上して検出限界が大幅に低くなり、また、水分等の存在下での検出の安定性が高く、更には低コストで迅速且つ簡便に生体物質の検出を行うことが可能となる。特に、高感度で検出限界が高いことから、従来よりも短時間で、生体物質を1分子単位で検出することが可能となり、感染症、新規癌マーカー、個の遺伝子、エクソソーム、白血球中のmRNA、cell-freeRNA/DNA等の解析を行う際、短時間で高精度な検出を実現することができる。また、医療分野において、患者の診察中に当該患者に関する生体物質を検出することが可能となり、その検出結果に基づいて迅速且つ適切な診断、治療を施すことが可能となる。さらに、上記の製造方法によれば、工業性や量産性に優れた生体物質検出センサ10aを提供することができる。
According to the biological
また、本実施形態の生体物質検出センサ10aにおいて、無機固体電解質膜13に含まれる無機固体電解質がプロトン導電性である場合は、生体物質検出センサ10aの感度がより向上する。特に、無機固体電解質膜13が、希土類元素とジルコニウム(Zr)とを含む金属酸化物、及び希土類元素とタンタル(Ta)とを含む金属酸化物のうちのいずれかで形成されており、無機固体電解質膜13中の炭素(C)の含有率が、0.5atom%以上15atom%以下であり、且つ、無機固体電解質膜13中の水素(H)の含有率が2atom%以上20atom%以下である場合は、無機固体電解質膜13のプロトン伝導性が高くなるので、生体物質検出センサ10aの感度が向上する。さらに、無機固体電解質膜13のイオン伝導率が1×10-8S/cm以上である場合は、生体物質検出センサ10aの感度が向上する。
Further, in the biological
また、本実施形態の生体物質検出センサ10aにおいて、有機半導体膜14が、多環芳香族炭化水素もしくはチエノアセン系化合物である場合は、生体物質検出センサ10aの感度がより高くなる。
Moreover, in the biological
また、本実施形態の生体物質検出方法によれば、生体物質検出センサ10aの露出部20と標的DNAなどの生体物質を含む液体Lqとを接触させ、第3電極17と第1電極15との間に電圧VTGを印加すると共に、第1電極15と第2電極16との間の電流IDSを測定し、第3電極17と第1電極15との間の電圧VTGと、第1電極15と第2電極16との間の電流IDSとに基づいて前記生体物質を検出するので、従来と同様の簡単な操作、従来と同等のコストで、短時間、高感度で生体物質の検出を行うことが可能となる。
Further, according to the biological substance detection method of the present embodiment, the exposed
また、本実施形態の生体物質検出センサ10aを複数配置したマルチ構造あるいはアレイ構造を有する生体物質検出装置を提供することができる。さらに、本実施形態の生体物質検出センサ10aと、公知のカーボンセンサなどの他の電気化学センサの双方を備える生体物質検出装置を提供することができる。これにより、短時間で高精度な検出を実現することができ、また、mRNA/DNAなどの生体物質とバイオマーカーなどの他の生体物質の双方を同時期あるいは同時に検出することができ、1回の検出作業で得られた複数の生体物質の検出結果を用いて、様々な観点からの分析が可能となる。
Further, it is possible to provide a biological substance detection device having a multi-structure or an array structure in which a plurality of the biological
以上、本発明の第1実施形態について詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the first embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the scope of claims.・Changes are possible.
例えば、本実施形態の生体物質検出センサ10aにおいては、第1電極15及び第2電極16は、無機固体電解質膜13の上に形成されているが、第1電極15及び第2電極16の配置はこれに限定されるものではない。また、本実施形態の生体物質検出センサ10aにおいては、導電性材料膜12は、基板11と無機固体電解質膜13との間に配置されているが、導電性材料膜12の配置はこれに限定されるものではない。以下、第1実施形態の生体物質検出センサ10aの変形例を、図5~図11に示す。
For example, in the biological
図5は、生体物質検出センサの第1変形例の構成の一例を示す平面図であり、図6は、図5のVI-VI’線断面図である。
図5及び図6に示す生体物質検出センサ10bは、基板11の上に無機固体電解質膜13が配置されている。無機固体電解質膜13の上に、有機半導体膜14が配置され、第1電極15及び第2電極16は、有機半導体膜14の上に形成されている。第1電極15及び第2電極16は、その端部が無機固体電解質膜13の端部よりも内側となるサイズとされている。
FIG. 5 is a plan view showing an example of the configuration of the first modification of the biological substance detection sensor, and FIG. 6 is a sectional view taken along the line VI-VI' of FIG.
A biological
図7は生体物質検出センサの第2変形例の構成の一例を示す平面図であり、図8は、図7のVIII-VIII’線断面である。
図7及び図8に示す生体物質検出センサ10cにおいては、基板11の上に、第1電極15及び第2電極16が配置されている。第1電極15及び第2電極16は、無機固体電解質膜13で覆われている。有機半導体膜14は、無機固体電解質膜13の上に形成されている。有機半導体膜14は、無機固体電解質膜13に設けられた貫通孔を介して第1電極15及び第2電極16と接続している。また、第1リード線15aは、貫通孔15cを介して第1端子15bと接続し、第2リード線16aは、貫通孔16cを介して第2端子16bと接続し、第3リード線17aは、貫通孔17cを介して第3端子17bと接続している。
FIG. 7 is a plan view showing an example of the configuration of the second modification of the biological substance detection sensor, and FIG. 8 is a cross section taken along line VIII-VIII' of FIG.
A
図9は、第4変形例の構成の一例を示す断面図である。
図9に示す生体物質検出センサ10dにおいては、基板11の上に無機固体電解質膜13が配置されている。第1電極15及び第2電極16は、無機固体電解質膜13の上に配置されている。図11に示す生体物質検出センサ10dは、導電性材料膜12を備えないこと以外は、図1及び図2に示す生体物質検出センサ10aと同じである。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the fourth modified example.
In a
図10は生体物質検出センサの第6変形例の構成の一例を示す平面図であり、図11は、図10のXI-XI’線断面である。
図10及び図11に示す生体物質検出センサ10eにおいては、基板11の上に第1電極15及び第2電極16が配置され、有機半導体膜14は、第1電極15及び第2電極16の上に形成されている。有機半導体膜14、第1電極15及び第2電極16は、無機固体電解質膜13で覆われている。無機固体電解質膜13には、第1電極15及び第2電極16を外部電源と接続するための貫通孔が設けられている。
FIG. 10 is a plan view showing an example of the configuration of the sixth modification of the biological substance detection sensor, and FIG. 11 is a cross section taken along line XI-XI' of FIG.
In the biological
第1実施形態の生体物質検出センサ10aにおいては、第3電極17は無機固体電解質膜13の上に形成されているが、第3電極17の位置はこれに限定されるものではない。第3電極17は、第1電極15、第2電極16及び無機固体電解質膜13と電気的に接続していれば、無機固体電解質膜13の上以外の位置に配置されていてもよい。
In the biological
図12は、本発明の第2実施形態に係る生体物質検出センサの構成の一例を示す平面図である。図13は、図12のXIII-XIII’線断面図である。 FIG. 12 is a plan view showing an example of the configuration of the biological substance detection sensor according to the second embodiment of the present invention. 13 is a cross-sectional view taken along the line XIII-XIII' of FIG. 12. FIG.
図12及び図13に示す生体物質検出センサ30は、基板11と、導電性材料膜12と、無機固体電解質膜13と、第1電極15と、第2電極16と、有機半導体膜14とを有する。生体物質検出センサ30は、第3電極17を有しない点と、センサ片19が1つとされている点以外は、第1実施形態の生体物質検出センサ10aと同じ構成とされている。
A biological
図14は、生体物質検出センサ30を用いた生体物質検出方法を説明する模式図であって、(a)は、生体物質検出センサを図12のXIII-XIII’線に沿って見た拡大断面図であり、(b)は、(a)の拡大図である。
生体物質検出センサ30を用いた生体物質検出時において、第3電極17は検出対象の生体物質2を含む液体Lqに挿入される。これにより、第3電極17と露出部20の有機半導体膜14とが接続する。第1電極15と第2電極16とは第1電圧供給部31に接続され。第1電極15と第3電極17とは第2電圧供給部32に接続されている。プローブ分子1に捕捉された生体物質2の検出方法は、第1実施形態の生体物質検出センサを用いた場合と同様に実施することができる。すなわち、第1電圧供給部31を用いて、第1電極15と第2電極16との間に電圧VDSを印加し、第2電圧供給部32を用いて、第1電極15と第3電極17との間に電圧VTGを印加する。これにより、第1電極15と第2電極16との間を流れる電流IDSが変化する。そして、VTG-IDS特性の変化を検出することにより、プローブ分子1に捕捉された生体物質2の量を定量することができる。
14A and 14B are schematic diagrams for explaining a biological substance detection method using the biological
When detecting a biological substance using the biological
1 プローブ分子
2 生体物質
10a、10b、10c、10d、10e、30 生体物質検出センサ
11 基板
12 導電性材料膜
13 無機固体電解質膜
14 有機半導体膜
15 第1電極
16 第2電極
17 第3電極
18 絶縁被膜
19 センサ片
20 露出部
21 捕捉場
22 壁部
31 第1電圧供給部
32 第2電圧供給部
Claims (11)
前記有機半導体膜及び前記無機固体電解質膜のうちいずれか一方又はその双方の少なくとも一部が外部に露出している露出部を有し、
前記第3電極は、少なくとも一部が前記露出部に接続している、生体物質検出センサ。 a first electrode, a second electrode, a third electrode, an organic semiconductor film connecting the first electrode and the second electrode, and an inorganic solid electrolyte film laminated on the organic semiconductor film; death,
At least a part of one or both of the organic semiconductor film and the inorganic solid electrolyte film has an exposed portion exposed to the outside,
The biological substance detection sensor, wherein at least a portion of the third electrode is connected to the exposed portion.
前記露出部に生体物質を含む液体を供給する工程と、
前記第3電極と前記第1電極との間に電圧を印加すると共に、前記第1電極-前記第2電極間の電流を測定し、前記第3電極-前記第1電極間の電圧と、前記第1電極-前記第2電極間の電流とに基づいて前記生体物質を検出する工程と、を含む、生体物質検出方法。 A biological substance detection method using the biological substance detection sensor according to any one of claims 1 to 10,
a step of supplying a liquid containing a biological substance to the exposed portion;
A voltage is applied between the third electrode and the first electrode, a current between the first electrode and the second electrode is measured, a voltage between the third electrode and the first electrode, and the and detecting the biological material based on the current between the first electrode and the second electrode.
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