JP2022154984A - Biomaterial detection sensor and method for detecting biomaterial - Google Patents

Biomaterial detection sensor and method for detecting biomaterial Download PDF

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利浩 土井
Toshihiro Doi
禅 高村
Zen Takamura
大亮 廣瀬
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Japan Advanced Institute of Science and Technology
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Mitsubishi Materials Corp
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Abstract

To provide a biomaterial detection sensor and a method for detecting biomaterial with excellent selectivity for the biomaterial to be detected, high sensitivity, and low detection limit.SOLUTION: A biomaterial detection sensor has a first electrode, a second electrode, a third electrode, an inorganic semiconductor film connecting the first electrode and the second electrode, and an organic solid electrolyte film laminated to the inorganic semiconductor film, and has an exposed portion where at least a portion of either or both the inorganic semiconductor film and the organic solid electrolyte film is exposed to the outside, and the third electrode is at least partially connected to the exposed portion.SELECTED DRAWING: Figure 1

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).

J.Phys.Chem.B,1997,101,2980-2985J. Phys. Chem. B, 1997, 101, 2980-2985

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 Document 1 has a detection limit of about 1 μg/mL, and further improvement in sensitivity is desired.

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電極とを接続する無機半導体膜と、この無機半導体膜に積層されている有機固体電解質膜とを有し、上記の無機半導体膜及び有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 extensive research, the present inventors have found that a first electrode, a second electrode, a third electrode, an inorganic semiconductor film connecting the first electrode and the second electrode, and an inorganic semiconductor film At least a portion of one or both of the inorganic semiconductor film and the organic 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電極とを接続する無機半導体膜と、前記無機半導体膜に積層されている有機固体電解質膜と、を有し、
前記無機半導体膜及び前記有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 inorganic semiconductor film connecting the first electrode and the second electrode, and an organic solid electrolyte film laminated on the inorganic semiconductor film , has
At least a part of one or both of the inorganic semiconductor film and the organic 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電極が前記有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 organic solid electrolyte membrane.

[3]前記有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 organic solid electrolyte membrane is proton conductive.

[4]前記有機固体電解質膜が、側鎖にプロトン伝導性基を有するポリマーもしくは有機金属錯体である、上記[1]~[3]のいずれかに記載の生体物質検出センサ。 [4] The biosubstance detection sensor according to any one of [1] to [3] above, wherein the organic solid electrolyte membrane is a polymer or organometallic complex having a proton-conductive group on a side chain.

[5]前記有機固体電解質膜は、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 organic solid electrolyte membrane has an ionic conductivity of 1×10 −8 S/cm or more.

[6]前記無機半導体膜が、酸化インジウム、酸化亜鉛、In-Ga-Zn酸化物、In-Sn-Zn酸化物、Zn-Sn酸化物、アモルファスシリコン、低温ポリシリコンおよびグラフィンからなる群より選ばれる少なくとも一種の無機物を含む、上記[1]~[5]のいずれかに記載の生体物質検出センサ。 [6] The inorganic semiconductor film is selected from the group consisting of indium oxide, zinc oxide, In--Ga--Zn oxide, In--Sn--Zn oxide, Zn--Sn oxide, amorphous silicon, low temperature polysilicon and graphene. The biosubstance detection sensor according to any one of [1] to [5] above, which contains at least one inorganic substance.

[7]前記無機半導体膜及び前記有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] Any one or both of the inorganic semiconductor film and the organic solid electrolyte film have a trapping field that directly or indirectly traps 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、請求項7に記載の生体物質検出センサ。 [8] The biosubstance detection sensor according to [7], 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、前記有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 organic 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.

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る。FIG. 1 is a plan view showing an example of the configuration of a biological substance detection sensor according to a first embodiment of the present invention. 図2は、図1のII-II’線断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II' of FIG. 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。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). 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。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a biosubstance detection method using the biosubstance detection sensor shown in FIG. 1, and is an enlarged view of the biosubstance detection sensor along line IV-IV' in FIG. . 図5は、本発明の第1実施形態に係る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る。FIG. 5 is a plan view showing an example of the configuration of the first modified example of the biological substance detection sensor according to the first embodiment of the present invention. 図6は、図5のVI-VI'線断面図である。FIG. 6 is a sectional view taken along line VI-VI' of FIG. 図7は、本発明の第1実施形態に係る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る。FIG. 7 is a plan view showing an example of the configuration of a second modified example of the biological substance detection sensor according to the first embodiment of the present invention. 図8は、図7のVIII-VIII’線断面である。FIG. 8 is a cross section taken along line VIII-VIII' of FIG. 図9は、本発明の第1実施形態に係る生体物質検出センサの第3変形例の構成の一例を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a third modified example of the biological substance detection sensor according to the first embodiment of the present invention. 図10は、本発明の第1実施形態に係る生体物質検出センサの第4変形例の構成の一例を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a fourth modified example of the biological substance detection sensor according to the first embodiment of the present invention. 図11は、図10のXI-XI’線断面である。FIG. 11 is a cross section taken along line XI-XI' of FIG. 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。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. 図13は、図12のXIII-XIII’線断面図である。13 is a cross-sectional view taken along the line XIII-XIII' of FIG. 12. FIG. 図14は第2実施形態に係る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12のXIII-XIII’線に沿って見た拡大図であり、(b)は、(a)の拡大断面図である。14A and 14B are schematic diagrams for explaining the biological substance detection method using the biological substance detection sensor according to the second embodiment, and FIG. 1 is an enlarged view as seen, and (b) is an enlarged cross-sectional view of (a).

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、有機固体電解質膜13と、第1電極15と、第2電極16と、第3電極17と、無機半導体膜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。有機固体電解質膜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、有機固体電解質膜13の上に配置されている。無機半導体膜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の間にある無機半導体膜14は、有機固体電解質膜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と無機半導体膜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 substance detection sensor 10a includes a substrate 11, a conductive material film 12, an organic solid electrolyte film 13, a first electrode 15, a second electrode 16, and a third electrode. 17 and an inorganic semiconductor film 14 . The conductive material film 12 is laminated on one surface (upper surface in FIG. 2) of the substrate 11 . The organic solid electrolyte film 13 is laminated on the surface of the conductive material film 12 opposite to the substrate 11 . A first electrode 15 , a second electrode 16 and a third electrode 17 are arranged on the organic solid electrolyte membrane 13 . The inorganic semiconductor film 14 is arranged between the first electrode 15 and the second electrode 16 and connects the first electrode 15 and the second electrode 16 . Also, the inorganic semiconductor film 14 between the first electrode 15 and the second electrode 16 is laminated on the organic solid electrolyte film 13 . The third electrode 17 is arranged at a position not electrically connected to the first electrode 15 and the second electrode 16 . The first electrode 15 , the second electrode 16 and the inorganic semiconductor film 14 constitute a sensor piece 19 . In the biological substance detection sensor 10a of FIG. 1, three sensor pieces 19 are arranged. The three sensor pieces 19 are arranged so that the distances from the third electrode 17 are the same. The first electrode 15 is connected to a first terminal 15b via a first lead wire 15a. The second electrode 16 is connected to a second terminal 16b via a second lead wire 16a. The third electrode 17 is connected to a third terminal 17b via a third lead wire 17a. The first terminal 15b, the second terminal 16b, and the third terminal 17b are arranged at the same end.

有機固体電解質膜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。無機半導体膜14、無機半導体膜14の周囲の有機固体電解質膜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を形成している無機半導体膜14、無機半導体膜14の周囲の有機固体電解質膜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。 The surfaces of the organic solid electrolyte membrane 13, the first electrode 15, the second electrode 16, the first lead wire 15a, the second lead wire 16a, and the third lead wire 17a are covered with an insulating film 18. FIG. The inorganic semiconductor film 14, a portion of the organic solid electrolyte film 13 around the inorganic semiconductor film 14, and the third electrode 17 are not covered with an insulating coating and are exposed to the outside to form an exposed portion 20. . The inorganic semiconductor film 14 forming the exposed portion 20 and the organic solid electrolyte film 13 around the inorganic semiconductor film 14 preferably have a trapping field 21 that directly or indirectly traps the biological substance to be detected. It is preferable that the capture field 21 has the probe molecules 1 immobilized thereon for capturing the biological substance to be detected. The exposed portion 20 is surrounded by a wall portion 22 . The wall portion 22 forms a holding portion capable of holding a liquid containing a biological substance above the exposed portion 20 .

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(Al)基板、STO(SrTiO)基板、SiO/Si基板(Si基板上にSiO膜を形成したもの)、Si基板の表面にSiO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 substrate 11, for example, an insulating substrate and a semiconductor substrate can be used. Examples of insulating substrates include high-heat-resistant glass, alumina (Al 2 O 3 ) substrates, STO (SrTiO) substrates, SiO 2 /Si substrates (Si substrates with SiO 2 films formed thereon), and Si substrate surfaces. A multi-layer substrate in which an STO (SrTiO) layer is formed via a SiO 2 layer and a Ti layer. Examples of semiconductor substrates include Si substrates, SiC substrates, and Ge substrates. Although the thickness of the substrate 11 is not particularly limited, it is, for example, 10 μm or more and 1 mm or less.

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(RuO)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 conductive material film 12 is a conductive material film containing a conductive material. The conductive material film 12 may be made of only a conductive material. As the conductive material, for example, metal materials and metal oxides can be used. Examples of metal materials include platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), molybdenum (Mo), palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir ), tungsten (W), titanium (Ti), and alloys of these metals. Examples of metal oxides include indium tin oxide (ITO) and ruthenium oxide (RuO 2 ). The conductive material film 12 may be a single layer or may be a multi-layer formed by laminating a plurality of conductive material films. Although the thickness of the conductive material film 12 is not particularly limited, it is, for example, 50 nm or more and 200 nm or less.

導電性材料膜12は、有機固体電解質膜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、有機固体電解質膜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、有機固体電解質膜13の内部に配置されていてもよい。 It is preferable that the conductive material film 12 is in contact with at least a portion of the organic solid electrolyte film 13 . Also, the conductive material film 12 may be electrically insulated from other than the organic solid electrolyte film 13 . The conductive material film 12 may be electrically independent of the first electrode 15 , the second electrode 16 and the third electrode 17 . The conductive material film 12 may be arranged inside the organic solid electrolyte film 13, for example.

有機固体電解質膜13は、有機固体電解質を含む。有機固体電解質膜13は、有機固体電解質のみから形成されていることが好ましい。有機固体電解質は、例えば、プロトン導電性であることが好ましい。有機固体電解質膜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。有機固体電解質としては、例えば、側鎖にプロトン伝導性基を有するポリマーもしくは有機金属錯体を用いてもよい。 The organic solid electrolyte membrane 13 contains an organic solid electrolyte. The organic solid electrolyte membrane 13 is preferably made of only an organic solid electrolyte. The organic solid electrolyte is preferably proton conductive, for example. The organic solid electrolyte membrane 13 preferably has an ionic conductivity of 1×10 −8 S/cm or more. As the organic solid electrolyte, for example, a polymer or an organometallic complex having a proton conductive group on a side chain may be used.

側鎖にプロトン伝導性基を有するポリマーの主鎖は、例えば、炭化水素構造またはパーフルオロカーボン構造であってもよい。プロトン伝導性基は、例えば、スルホン酸基であってもよい。側鎖にプロトン伝導性基を有するポリマーとしては、パーフルオロカーボンスルホン酸であるナフィオン(登録商標)を用いることができる。 The backbone of the polymer having proton-conducting groups in its side chains may be, for example, a hydrocarbon structure or a perfluorocarbon structure. A proton-conducting group may be, for example, a sulfonic acid group. Nafion (registered trademark), which is a perfluorocarbon sulfonic acid, can be used as the polymer having a proton-conducting group in the side chain.

有機金属錯体は、例えば、配位高分子であってもよい。配位高分子は、下記の式(1)で表されるオキサラト架橋配位高分子であってもよい。
(ox)・・・・(1)
上記の(1)において、Mは、2価又は3価の金属イオンを表す。Mが3価の金属イオンである場合、オキサラト架橋配位高分子は中性である。Mが2価の金属イオンを含む場合は、オキサラト架橋配位高分子はアニオン性となり、オキサラト架橋配位高分子にカウンターイオンが取り込まれていてもよい。
上記の(1)において、oxは、シュウ酸イオン(C 2-)を表す。
The organometallic complex can be, for example, a coordination polymer. The coordination polymer may be an oxalato-bridged coordination polymer represented by the following formula (1).
M 2 (ox) 3 (1)
In (1) above, M represents a divalent or trivalent metal ion. When M is a trivalent metal ion, the oxalato-bridged coordination polymer is neutral. When M contains a divalent metal ion, the oxalato-bridged coordination polymer becomes anionic, and a counterion may be incorporated into the oxalato-bridged coordination polymer.
In (1) above, ox represents an oxalate ion (C 2 O 4 2− ).

有機固体電解質膜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。有機固体電解質膜13の厚みが300nmを超えると、無機半導体膜14の界面特性に影響を及ぼすおそれがある。一方、その厚みが50nm未満であると、リーク電流が発生するおそれがある。 Although the thickness of the organic solid electrolyte membrane 13 is not particularly limited, it is, for example, 50 nm or more and 300 nm or less. If the thickness of the organic solid electrolyte film 13 exceeds 300 nm, the interfacial characteristics of the inorganic semiconductor film 14 may be affected. On the other hand, if the thickness is less than 50 nm, leakage current may occur.

無機半導体膜14は、無機半導体を含む。無機半導体膜14は、無機半導体のみから形成されていることが好ましい。無機半導体は、例えば、酸化インジウム(In)、酸化亜鉛(ZnO)、In-Ga-Zn酸化物(IGZO)、In-Sn-Zn酸化物(ITZO)、Zn-Sn酸化物(Zn-Sn-O)、アモルファスシリコン(α-Si)、低温ポリシリコン(LTPS)およびグラフィンからなる群より選ばれる少なくとも一種の無機物を含むことが好ましい。これらの無機半導体は、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。無機半導体膜14が上記の無機半導体で形成されることで、有機固体電解質膜13の上記の有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 inorganic semiconductor film 14 contains an inorganic semiconductor. It is preferable that the inorganic semiconductor film 14 is formed only from an inorganic semiconductor. Inorganic semiconductors include, for example, indium oxide (In 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), In—Ga—Zn oxide (IGZO), In—Sn—Zn oxide (ITZO), Zn—Sn oxide (Zn —Sn—O), amorphous silicon (α-Si), low temperature polysilicon (LTPS) and graphene. These inorganic semiconductors may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 types. Since the inorganic semiconductor film 14 is made of the above inorganic semiconductor, the combination of the organic solid electrolyte film 13 and the above organic solid electrolyte greatly improves the sensitivity of the biological substance detection sensor 10a and greatly increases the detection limit. In addition, it is possible to improve the stability of detection in the presence of moisture or the like.

無機半導体膜14を構成する無機半導体は、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。無機半導体膜14を構成する無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、無機半導体膜14はアモルファス相である有機固体電解質膜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 inorganic semiconductor forming the inorganic semiconductor film 14 is preferably in an amorphous phase or a nanocrystalline phase. By making the inorganic semiconductor constituting the inorganic semiconductor film 14 in an amorphous phase or a nanocrystalline phase, the inorganic semiconductor film 14 can obtain a favorable interface state with the organic solid electrolyte film 13 in an amorphous phase. As a result, the biological substance detection sensor 10a with good electrical properties can be formed.

無機半導体膜14は、例えば上記無機半導体で形成された単層で構成されることができる。無機半導体膜14の厚みは、特に限定されないが、確度高く有機固体電解質膜13等を覆う観点、及び無機半導体膜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 inorganic semiconductor film 14 can be composed of, for example, a single layer formed of the above inorganic semiconductor. The thickness of the inorganic semiconductor film 14 is not particularly limited, but from the viewpoint of covering the organic solid electrolyte film 13 and the like with high accuracy and from the viewpoint of facilitating the modulation of the conductivity of the inorganic semiconductor film 14, it is, for example, 5 nm or more and 80 nm or less. is preferred.

無機半導体膜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。無機半導体膜14の長さ(第1電極15と第2電極16の間の距離)は、例えば50μm以上200μm以下である。 The width of the inorganic semiconductor film 14 is preferably 100 μm or more, for example, 1000 μm, although a larger width is more advantageous from the viewpoint of noise. The length of the inorganic semiconductor film 14 (the distance between the first electrode 15 and the second electrode 16) is, for example, 50 μm or more and 200 μm or less.

また、本実施形態では、無機半導体膜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。 In addition, in the present embodiment, the inorganic semiconductor film 14 has a thickness thinner than both the first electrode 15 and the second electrode 16, but the present invention is not limited to this. may have the same film thickness, or may have a thicker film thickness.

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(RuO)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 first electrode 15, the second electrode 16 and the third electrode 17, metal materials and metal oxides can be used. Examples of metallic materials include refractory metals such as platinum (Pt) and alloys thereof. Examples of metal oxides include indium tin oxide (ITO) and ruthenium oxide (RuO 2 ). Each of the first electrode 15, the second electrode 16, and the third electrode 17 may be a single-layer body, or may be a multi-layer body in which a plurality of electrode layers are laminated. The thicknesses of the first electrode 15, the second electrode 16, and the third electrode 17 are not particularly limited, but are, for example, 50 nm or more and 200 nm or less.

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 coating 18 may be organic or inorganic. Examples of organic substances include polyimide and epoxy resin. Examples of inorganic substances include alumina and silica. Although the thickness of the insulating coating 18 is not particularly limited, it is, for example, 50 nm or more and 5000 nm or less.

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 wall portion 22 may be organic or inorganic. Examples of organic substances include polyimide and epoxy resin. Examples of inorganic substances include alumina and silica. Although the height of the insulating coating 18 is not particularly limited, it is, for example, 0.10 mm or more and 5 mm or less.

[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、SiO/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 substance detection sensor 10a can be manufactured, for example, as follows.
(1) Formation of Conductive Material Film 12 First, the conductive material film 12 is formed on the substrate 11 (eg, SiO 2 /Si substrate). As a method for forming the conductive material film 12, a sputtering method can be used.

(2)有機固体電解質膜13の形成
次に、導電性材料膜12の上に有機固体電解質膜13を形成する。有機固体電解質膜13は、例えば、導電性材料膜12の上に有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。有機固体電解質膜用前駆体液としては、有機固体電解質膜13を構成する有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有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、有機固体電解質膜用前駆体液の溶媒が揮発して、有機固体電解質膜13が生成する温度であれば特に制限はない。このため、有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有機固体電解質膜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 Organic Solid Electrolyte Film 13 Next, the organic solid electrolyte film 13 is formed on the conductive material film 12 . The organic solid electrolyte membrane 13 can be formed, for example, by applying an organic solid electrolyte membrane precursor liquid onto the conductive material film 12 and heating the obtained coating film. As the organic solid electrolyte membrane precursor liquid, a liquid in which the organic solid electrolyte material constituting the organic solid electrolyte membrane 13 is dissolved or dispersed can be used. , a spin coating method, an inkjet printing method, a nanoimprint method, or the like can be used. The heating temperature of the coating film is not particularly limited as long as it is a temperature at which the solvent of the organic solid electrolyte membrane precursor liquid volatilizes and the organic solid electrolyte membrane 13 is formed. Therefore, by using a solvent with a low boiling point as the solvent for the organic solid electrolyte membrane precursor liquid, the organic solid electrolyte membrane 13 can be formed by heating at a relatively low temperature, thereby widening the range of materials to be selected. .

(3)電極パターンの形成
次に、有機固体電解質膜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、有機固体電解質膜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、レジスト膜を含む有機固体電解質膜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 (first electrode 15, first lead wire 15a, first terminal 15b, second electrode 16, second lead wire 16a, second electrode pattern) is formed on the organic solid electrolyte film 13. Two terminals 16b, a third electrode 17, a third lead wire 17a, and a third terminal 17b) are formed. The electrode pattern is formed, for example, by forming a patterned resist film on the organic solid electrolyte film 13 by photolithography, then forming an electrode film on the organic solid electrolyte film 13 containing the resist film, and then applying a resist. It can be formed by a method of removing a film. As a method for forming the electrode film, for example, a sputtering method can be used.

(4)無機半導体膜14の形成
次に、第1電極15と第2電極16の間に無機半導体膜14を形成する。無機半導体膜14は、例えば、有機固体電解質膜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、レジスト膜を含む有機固体電解質膜13の上に無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。無機半導体膜は、例えば、無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。無機半導体膜用前駆体液としては、無機半導体膜14を構成する無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。無機半導体がIn、ZnO、IGZO、ITZO、Zn-Sn-Oなどの酸化物である場合、無機半導体の材料として、加熱によってこれらの酸化物を生成する化合物を用いてもよい。無機半導体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、無機半導体膜用前駆体液の溶媒が揮発して、無機半導体膜14が生成する温度であれば特に制限はない。
(4) Formation of Inorganic Semiconductor Film 14 Next, the inorganic semiconductor film 14 is formed between the first electrode 15 and the second electrode 16 . The inorganic semiconductor film 14 is formed by, for example, forming a patterned resist film on the organic solid electrolyte film 13 by photolithography, and then forming an inorganic semiconductor film on the organic solid electrolyte film 13 containing the resist film. After that, it can be formed by a method of removing the resist film. The inorganic semiconductor film can be formed, for example, by applying an inorganic semiconductor film precursor liquid and heating the resulting coating film. As the inorganic semiconductor film precursor liquid, a liquid in which an inorganic semiconductor material constituting the inorganic semiconductor film 14 is dissolved or dispersed can be used. When the inorganic semiconductor is an oxide such as In 2 O 3 , ZnO, IGZO, ITZO, or Zn--Sn--O, a compound that produces these oxides upon heating may be used as the inorganic semiconductor material. As a method for applying the inorganic semiconductor film precursor liquid, a spin coating method, an inkjet printing method, a nanoimprint method, or the like can be used. The heating temperature of the coating film is not particularly limited as long as it is a temperature at which the solvent of the inorganic semiconductor film precursor liquid volatilizes and the inorganic semiconductor film 14 is formed.

(5)絶縁被膜18の形成
次に、有機固体電解質膜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、有機固体電解質膜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、レジスト膜を含む有機固体電解質膜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。
(5) Formation of insulating coating 18 Next, the insulating coating 18 is formed on the organic solid electrolyte film 13, the first electrode 15, the first lead wire 15a, the second electrode 16, the second lead wire 16a and the third lead wire 17a. to form For the insulating coating 18, for example, a resist film patterned by photolithography is formed on the organic solid electrolyte film 13, and then an insulating coating is formed on the organic solid electrolyte film 13 containing the resist film. It can be formed by a method of removing a resist film. The insulating coating can be formed, for example, by applying an insulating coating precursor liquid and heating the obtained coating film. As the insulating coating precursor liquid, a liquid in which a material constituting the insulating coating 18 is dissolved or dispersed can be used. A compound that forms the insulating coating 18 upon heating may be used as the material forming the insulating coating 18 . A spin coating method, an ink jet printing method, a nanoimprint method, or the like can be used as a method for applying the insulating film precursor liquid. The heating temperature of the coating film is not particularly limited as long as it is a temperature at which the solvent of the insulating film precursor liquid volatilizes and the insulating film 18 is formed.

(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 wall portion 22 Next, the wall portion 22 is formed so as to surround the exposed portion 20 . The wall portion 22 can be formed by joining a wall member formed in a cylindrical shape in advance to the insulating coating 18 .

[生体物質検出方法]
生体物質検出センサ10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 substance detection sensor 10 will be described.
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10の露出部20(無機半導体膜14、無機半導体膜14の周囲の有機固体電解質膜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 biological material 2 to be detected is injected inside the wall portion 22 . As a result, the exposed portion 20 (the inorganic semiconductor film 14, a portion of the organic solid electrolyte film 13 around the inorganic semiconductor film 14, and the third electrode 17) of the biological substance detection sensor 10 is brought into contact with the liquid Lq containing the biological substance 2. do. The biological material 2 is, for example, nucleic acids such as DNA and mRNA. The liquid Lq containing the biological substance 2 is, for example, a mixture of a buffer solution and serum containing nucleic acids.

生体物質2は、無機半導体膜14及び有機固体電解質膜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 biological material 2 is specifically captured by the probe molecules 1 immobilized on parts of the inorganic semiconductor film 14 and the organic solid electrolyte film 13 . As a result, the target biological substance can be detected with high selectivity.

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、無機半導体膜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 substance detection sensor 10a. Thereby, the inorganic semiconductor film 14 and the third electrode 17 can be electrically connected via the measurement liquid.

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。無機半導体膜14及び有機固体電解質膜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、無機半導体膜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 first electrode 15 and the second electrode 16 and then a voltage V TG is applied between the first electrode 15 and the third electrode 17 . By applying a voltage V DS to the inorganic semiconductor film 14 in a state where the biological substance 2 to be detected is captured by the probe molecules 1 of the inorganic semiconductor film 14 and the organic solid electrolyte film 13 , the first electrode 15 and the second electrode 15 are separated. The current IDS flowing between the electrodes 16 changes. A change in the V TG -I DS characteristic is detected according to the change in the current I DS . Thereby, the amount of biological substance 2 captured by probe molecule 1 can be quantified.

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、無機半導体膜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、有機固体電解質膜13の内部をイオンが動くことで、有機固体電解質膜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)が無機半導体膜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無機半導体膜14に集積することで、感度と安定性が向上する。 In the biosubstance detection sensor 10a of the present embodiment, as shown in FIG. As the ions move inside the solid electrolyte membrane 13, an electric field (arrow D2) generated by the charge of the biological material 2 captured by the probe molecules 1 captured on the surface of the organic solid electrolyte membrane 13 is transmitted to the inorganic semiconductor membrane 14. , can contribute to changes in electrical properties (antenna effect). As a result, the electric field generated by the charges of more biological substances 2 is accumulated in the inorganic semiconductor film 14, thereby improving the sensitivity and stability.

また、本実施形態の生体物質検出センサ10aでは有機固体電解質膜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無機半導体膜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 substance detection sensor 10a of the present embodiment, by having the conductive material film 12 having electron conductivity in a form of contact with the organic solid electrolyte film 13, more quickly, farther, and more captured This has the effect of transmitting the electric field created by the charge of the biological substance 2 to the inorganic semiconductor film 14 . In the biosubstance detection sensor 10a of the present embodiment, no voltage is applied to the conductive material film 12, but the voltage VBG may be applied to the conductive material film 12. FIG.

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、有機固体電解質膜13は有機固体電解質を含み、無機半導体膜14は無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10を提供することができる。 According to the biological substance detection sensor 10a of the present embodiment configured as described above, the organic solid electrolyte film 13 contains an organic solid electrolyte and the inorganic semiconductor film 14 contains an inorganic semiconductor. The sensitivity is greatly improved, the detection limit is greatly lowered, the stability of detection is high in the presence of moisture, etc., and it is possible to detect biological substances quickly and easily at low cost. Become. In particular, due to its high sensitivity and high detection limit, it is possible to detect biological substances in single molecule units in a shorter time than before. , cell-free RNA/DNA, etc. can be analyzed with high precision in a short time. Also, in the medical field, it becomes possible to detect biomaterials related to a patient during examination of the patient, and to perform prompt and appropriate diagnosis and treatment based on the detection results. Furthermore, according to the manufacturing method described above, it is possible to provide the biosubstance detection sensor 10 that is excellent in industrial and mass productivity.

また、本実施形態の生体物質検出センサ10aにおいて、有機固体電解質膜13に含まれる有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、有機固体電解質が、側鎖にプロトン伝導性基を有するポリマーもしくは有機金属錯体である場合は、有機固体電解質膜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、有機固体電解質膜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 substance detection sensor 10a of the present embodiment, when the organic solid electrolyte contained in the organic solid electrolyte membrane 13 is proton conductive, the sensitivity of the biological substance detection sensor 10a is further improved. In particular, when the organic solid electrolyte is a polymer or an organometallic complex having proton-conductive groups in side chains, the proton conductivity of the organic solid electrolyte membrane 13 is increased, so the sensitivity of the biological substance detection sensor 10a is improved. . Furthermore, when the ion conductivity of the organic solid electrolyte membrane 13 is 1×10 −8 S/cm or more, the sensitivity of the biological substance detection sensor 10a is improved.

また、本実施形態の生体物質検出センサ10aにおいて、無機半導体膜14に含まれる無機半導体が、酸化インジウム、酸化亜鉛、In-Ga-Zn酸化物、In-Sn-Zn酸化物、Zn-Sn酸化物、アモルファスシリコン、低温ポリシリコンおよびグラフィンからなる群より選ばれる少なくとも一種の無機物を含む場合は、生体物質検出センサ10aの感度がより高くなる。 Further, in the biological substance detection sensor 10a of the present embodiment, the inorganic semiconductor contained in the inorganic semiconductor film 14 is indium oxide, zinc oxide, In--Ga--Zn oxide, In--Sn--Zn oxide, Zn--Sn oxide. The sensitivity of the biosubstance detection sensor 10a is further enhanced when it contains at least one inorganic substance selected from the group consisting of solids, amorphous silicon, low-temperature polysilicon, and graphene.

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 portion 20 of the biological substance detection sensor 10a is brought into contact with the liquid Lq containing the biological substance such as target DNA, and the third electrode 17 and the first electrode 15 are brought into contact with each other. A voltage VTG is applied between the first electrode 15 and the second electrode 16 while measuring the current IDS between the first electrode 15 and the second electrode 16, the voltage VTG between the third electrode 17 and the first electrode 15 and the first Since the biological substance is detected based on the current IDS between the electrode 15 and the second electrode 16, the biological substance can be detected with high sensitivity in a short period of time at the same simple operation and cost as the conventional method. detection can be performed.

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 substance detection sensors 10a of this embodiment are arranged. Furthermore, it is possible to provide a biological substance detection device that includes both the biological substance detection sensor 10a of the present embodiment and another electrochemical sensor such as a known carbon sensor. As a result, highly accurate detection can be achieved in a short time, and both biological substances such as mRNA / DNA and other biological substances such as biomarkers can be detected at the same time or at the same time. Using the detection results of a plurality of biological substances obtained in the detection work of 1, analysis from various points of view becomes possible.

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、有機固体電解質膜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と有機固体電解質膜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10の変形例を、図5~図11に示す。 For example, in the biological substance detection sensor 10a of the present embodiment, the first electrode 15 and the second electrode 16 are formed on the organic solid electrolyte membrane 13, but the arrangement of the first electrode 15 and the second electrode 16 is not limited to this. In addition, in the biological substance detection sensor 10a of the present embodiment, the conductive material film 12 is arranged between the substrate 11 and the organic solid electrolyte film 13, but the arrangement of the conductive material film 12 is limited to this. not to be Modifications of the biological substance detection sensor 10 of the first embodiment are shown in FIGS. 5 to 11 below.

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の上に有機固体電解質膜13が配置されている。有機固体電解質膜13の上に、無機半導体膜14が配置され、第1電極15及び第2電極16は、無機半導体膜14の上に形成されている。第1電極15及び第2電極16は、その端部が有機固体電解質膜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 biosubstance detection sensor 10b shown in FIGS. 5 and 6 has an organic solid electrolyte film 13 disposed on a substrate 11. As shown in FIG. An inorganic semiconductor film 14 is arranged on the organic solid electrolyte film 13 , and a first electrode 15 and a second electrode 16 are formed on the inorganic semiconductor film 14 . The first electrode 15 and the second electrode 16 are sized so that their ends are inside the ends of the organic solid electrolyte membrane 13 .

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、有機固体電解質膜13で覆われている。無機半導体膜14は、有機固体電解質膜13の上に形成されている。無機半導体膜14は、有機固体電解質膜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 first electrode 15 and a second electrode 16 are arranged on a substrate 11 in the biological substance detection sensor 10c shown in FIGS. The first electrode 15 and the second electrode 16 are covered with the organic solid electrolyte membrane 13 . The inorganic semiconductor film 14 is formed on the organic solid electrolyte film 13 . The inorganic semiconductor film 14 is connected to the first electrode 15 and the second electrode 16 through through holes provided in the organic solid electrolyte film 13 . The first lead wire 15a is connected to the first terminal 15b through the through hole 15c, the second lead wire 16a is connected to the second terminal 16b through the through hole 16c, and the third lead wire 17a is connected to the second terminal 16b through the through hole 16c. , is connected to the third terminal 17b through the through hole 17c.

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の上に有機固体電解質膜13が配置されている。第1電極15及び第2電極16は、有機固体電解質膜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.
An organic solid electrolyte membrane 13 is arranged on a substrate 11 in a biological substance detection sensor 10d shown in FIG. The first electrode 15 and the second electrode 16 are arranged on the organic solid electrolyte membrane 13 . A biological substance detection sensor 10d shown in FIG. 11 is the same as the biological substance detection sensor 10a shown in FIGS. 1 and 2 except that the conductive material film 12 is not provided.

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、無機半導体膜14は、第1電極15及び第2電極16の上に形成されている。無機半導体膜14、第1電極15及び第2電極16は、有機固体電解質膜13で覆われている。有機固体電解質膜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 substance detection sensor 10e shown in FIGS. 10 and 11, the first electrode 15 and the second electrode 16 are arranged on the substrate 11, and the inorganic semiconductor film 14 is formed on the first electrode 15 and the second electrode 16. is formed in The inorganic semiconductor film 14 , the first electrode 15 and the second electrode 16 are covered with the organic solid electrolyte film 13 . The organic solid electrolyte membrane 13 is provided with through holes for connecting the first electrode 15 and the second electrode 16 to an external power supply.

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は有機固体電解質膜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及び有機固体電解質膜13と電気的に接続していれば、有機固体電解質膜13の上以外の位置に配置されていてもよい。 In the biological substance detection sensor 10a of the first embodiment, the third electrode 17 is formed on the organic solid electrolyte membrane 13, but the position of the third electrode 17 is not limited to this. As long as the third electrode 17 is electrically connected to the first electrode 15 , the second electrode 16 and the organic solid electrolyte membrane 13 , the third electrode 17 may be arranged at a position other than on the organic solid electrolyte membrane 13 .

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、有機固体電解質膜13と、第1電極15と、第2電極16と、無機半導体膜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 substance detection sensor 30 shown in FIGS. 12 and 13 includes a substrate 11, a conductive material film 12, an organic solid electrolyte film 13, a first electrode 15, a second electrode 16, and an inorganic semiconductor film 14. have. The biosubstance detection sensor 30 has the same configuration as the biosubstance detection sensor 10a of the first embodiment, except that it does not have the third electrode 17 and has one sensor piece 19 .

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の無機半導体膜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 substance detection sensor 30, and FIG. It is a figure and (b) is an enlarged view of (a).
When detecting a biological substance using the biological substance detection sensor 30, the third electrode 17 is inserted into the liquid Lq containing the biological substance 2 to be detected. Thereby, the third electrode 17 and the inorganic semiconductor film 14 of the exposed portion 20 are connected. The first electrode 15 and the second electrode 16 are connected to the first voltage supply section 31 , and the first electrode 15 and the third electrode 17 are connected to the second voltage supply section 32 . A method for detecting the biosubstance 2 captured by the probe molecule 1 can be carried out in the same manner as in the case of using the biosubstance detection sensor of the first embodiment. That is, the voltage V DS is applied between the first electrode 15 and the second electrode 16 using the first voltage supply section 31 , and the voltage V DS is applied between the first electrode 15 and the third electrode 16 using the second voltage supply section 32 . 17 is applied . This changes the current I DS flowing between the first electrode 15 and the second electrode 16 . Then, by detecting changes in V TG -I DS characteristics, the amount of biological material 2 captured by probe molecules 1 can be quantified.

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 有機固体電解質膜
14 無機半導体膜
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
Reference Signs List 1 probe molecule 2 biological substance 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 30 biological substance detection sensor 11 substrate 12 conductive material film 13 organic solid electrolyte film 14 inorganic semiconductor film 15 first electrode 16 second electrode 17 third electrode 18 Insulating coating 19 Sensor piece 20 Exposed part 21 Trapping field 22 Wall part 31 First voltage supply part 32 Second voltage supply part

Claims (11)

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電極とを接続する無機半導体膜と、前記無機半導体膜に積層されている有機固体電解質膜と、を有し、
前記無機半導体膜及び前記有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 inorganic semiconductor film connecting the first electrode and the second electrode, and an organic solid electrolyte film laminated on the inorganic semiconductor film; death,
At least a part of one or both of the inorganic semiconductor film and the organic 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.
前記第1電極、前記第2電極、及び前記第3電極が前記有機固体電解質膜の上に配置されている、請求項1に記載の生体物質検出センサ。 2. The biological substance detection sensor according to claim 1, wherein said first electrode, said second electrode, and said third electrode are arranged on said organic solid electrolyte membrane. 前記有機固体電解質膜がプロトン導電性である、請求項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 claim 1, wherein said organic solid electrolyte membrane is proton conductive. 前記有機固体電解質膜が、側鎖にプロトン伝導性基を有するポリマーもしくは有機金属錯体である、請求項1~3のいずれか1項に記載の生体物質検出センサ。 The biosubstance detection sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the organic solid electrolyte membrane is a polymer or organometallic complex having proton-conductive groups on side chains. 前記有機固体電解質膜は、イオン伝導率が1×10-8S/cm以上であることを特徴とする、請求項1~4のいずれか1項に記載の生体物質検出センサ。 The biological substance detection sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the organic solid electrolyte membrane has an ionic conductivity of 1 x 10 -8 S/cm or more. 前記無機半導体膜が、酸化インジウム、酸化亜鉛、In-Ga-Zn酸化物、In-Sn-Zn酸化物、Zn-Sn酸化物、アモルファスシリコン、低温ポリシリコンおよびグラフィンからなる群より選ばれる少なくとも一種の無機物を含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の生体物質検出センサ。 The inorganic semiconductor film is at least one selected from the group consisting of indium oxide, zinc oxide, In--Ga--Zn oxide, In--Sn--Zn oxide, Zn--Sn oxide, amorphous silicon, low temperature polysilicon and graphene. The biological substance detection sensor according to any one of claims 1 to 5, comprising an inorganic substance of 前記無機半導体膜及び前記有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、請求項1~6のいずれか1項に記載の生体物質検出センサ。 Any one of claims 1 to 6, wherein the exposed portion of one or both of the inorganic semiconductor film and the organic solid electrolyte film has a trapping field that directly or indirectly traps a biological substance. The biological substance detection sensor according to . 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、請求項7に記載の生体物質検出センサ。 8. The biological material detection sensor according to claim 7, wherein probe molecules for capturing said biological material are immobilized in said capture field. 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、請求項1~8のいずれか1項に記載の生体物質検出センサ。 The biological substance detection sensor according to any one of claims 1 to 8, further comprising a holding portion capable of holding a liquid containing a biological substance around said exposed portion. さらに、前記有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、請求項1~9のいずれか1項に記載の生体物質検出センサ。 Further, a conductive material film is in contact with at least part of the organic solid electrolyte film, and the conductive material film is electrically independent of the first electrode, the second electrode and the third electrode. The biological substance detection sensor according to any one of claims 1 to 9, wherein 請求項1~10のいずれか1項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。
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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