JP4343894B2 - Biological substance measuring apparatus and measuring method - Google Patents

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本発明は、タンパク質等の生体物質を洗浄操作なしで簡便に測定することのできる測定装置及び測定方法に関する。   The present invention relates to a measuring apparatus and a measuring method capable of easily measuring biological materials such as proteins without a washing operation.

代表的なタンパク質の測定法である酵素免疫測定法は、抗体が特定のタンパク質に選択的に結合する反応、すなわち抗原抗体反応を利用しており、その測定法は、大きく分けて、サンドイッチ法と競合反応法がある。サンドイッチ法は、固体表面に固定化し不溶化した抗体(固相化抗体)に測定対象の抗原が結合し、さらにこの抗原を固相化抗体と共にはさみこむように酵素標識した抗体(標識化二次抗体)が抗原に結合する性質を用いている。抗原と結合した標識化二次抗体の量を計測することで、測定対象の抗原の量を求める。競合反応法は、濃度未知である測定対象の非標識抗原と濃度既知である酵素標識した抗原の間で、固相化抗体への結合が競合する性質を用いている。標識した抗原の結合量は、測定対象の抗原と標識した抗原の濃度比によって決まるため、標識した抗原の結合量を測定することで、測定対象の抗原の量を求める(Clinical Chemistry 22, (1976) 1243-1255)。標識には、酵素の他に、蛍光体、放射性同位体などを用いることもあるが、いずれの場合も、結合抗体又は抗原と非結合抗体又は抗原を区別するために、非結合抗体又は抗原を洗浄操作により除去する。そして、抗体と抗原の結合する反応は、結合状態と非結合状態が平衡に達するまで行う。また、抗体の代わりに、特定のタンパク質と特異的に結合する一本鎖DNA(アプタマーDNA)を用いたものもある(Analytical Biochemistry 282, (2000) 142-146)。
Clinical Chemistry 22, (1976) 1243-1255 Analytical Biochemistry 282, (2000) 142-146
The enzyme immunoassay, which is a typical protein measurement method, utilizes a reaction in which an antibody selectively binds to a specific protein, that is, an antigen-antibody reaction. The measurement method is roughly divided into a sandwich method and a sandwich method. There is a competitive reaction method. The sandwich method is an antibody (labeled secondary antibody) in which the antigen to be measured is bound to an immobilized and insolubilized antibody (solid-phased antibody) on a solid surface, and this antigen is sandwiched with the solid-phased antibody. Uses the property of binding to the antigen. The amount of the antigen to be measured is determined by measuring the amount of the labeled secondary antibody bound to the antigen. The competitive reaction method uses the property that the binding to the immobilized antibody competes between the unlabeled antigen to be measured whose concentration is unknown and the enzyme-labeled antigen whose concentration is known. Since the binding amount of the labeled antigen is determined by the concentration ratio between the antigen to be measured and the labeled antigen, the amount of the antigen to be measured is determined by measuring the binding amount of the labeled antigen (Clinical Chemistry 22, (1976 ) 1243-1255). In addition to the enzyme, a fluorescent substance, a radioisotope, or the like may be used for labeling. In any case, in order to distinguish the bound antibody or antigen from the unbound antibody or antigen, the unbound antibody or antigen is used. Remove by washing operation. Then, the reaction for binding the antibody and the antigen is performed until the bound state and the unbound state reach equilibrium. Some antibodies use single-stranded DNA (aptamer DNA) that specifically binds to a specific protein instead of an antibody (Analytical Biochemistry 282, (2000) 142-146).
Clinical Chemistry 22, (1976) 1243-1255 Analytical Biochemistry 282, (2000) 142-146

酵素免疫測定法は、非結合抗体又は抗原と結合抗体又は抗原を区別することができないため、結合抗体又は抗原を測定するためには、非結合抗体又は抗原を洗浄操作により除去する作業が必要であり、この作業は煩雑であった。さらに、洗浄操作は、結合した抗体と抗原の平衡状態を崩してしまう可能性があるため、作業には熟練が必要である。また、結合状態と非結合状態が平衡状態に達するまでの時間は、他の実験により求めるか、経験を基に判断する必要があった。   In the enzyme immunoassay, unbound antibody or antigen cannot be distinguished from bound antibody or antigen. Therefore, in order to measure bound antibody or antigen, it is necessary to remove the unbound antibody or antigen by washing. Yes, this work was complicated. Furthermore, since the washing operation may destroy the equilibrium state between the bound antibody and the antigen, skill is required for the operation. In addition, the time required for the bound state and the unbound state to reach an equilibrium state must be determined by other experiments or determined based on experience.

本発明の目的は、洗浄操作なしで簡便に使用でき、かつ結合反応過程を計測することができる生体分子検出素子を用いた、生体物質の測定装置及び測定方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a biological substance measuring apparatus and measuring method using a biomolecule detection element that can be used easily without a washing operation and can measure a binding reaction process.

上記目的を達成するために、本発明では生体分子検出素子として、導電性電極を有する電界効果型トランジスタを用いた。導電性電極を有する電界効果型トランジスタは、導電性電極表面に結合した分子に対してのみ応答し、非結合分子に対しては応答しないため、非結合分子を除去するための洗浄操作を行うことなく、電極表面への測定対象分子の結合の有無を測定できる。そこで、導電性電極に生体分子検出プローブを固定化することで、生体分子検出プローブと結合していない生体分子を除去するための洗浄操作を行うことなく、測定対象の生体分子の生体分子検出プローブへの結合の有無を測定することができる。   In order to achieve the above object, in the present invention, a field effect transistor having a conductive electrode is used as a biomolecule detection element. A field-effect transistor having a conductive electrode responds only to molecules bound to the surface of the conductive electrode and does not respond to non-bonded molecules. Therefore, a cleaning operation is performed to remove the unbound molecules. In addition, the presence or absence of binding of the molecule to be measured to the electrode surface can be measured. Therefore, by immobilizing the biomolecule detection probe on the conductive electrode, the biomolecule detection probe of the biomolecule to be measured can be obtained without performing a cleaning operation to remove the biomolecule not bound to the biomolecule detection probe. The presence or absence of binding to can be measured.

測定溶液中に試料溶液を導入する前後での電界効果型トランジスタの出力の差分を計算することで外部変動を除去し、測定対象分子の導電性電極もしくは生体分子検出プローブへの結合による電界効果型トランジスタの出力の変化分のみを計測することができる。さらに、試料溶液導入後の電界効果型トランジスタの出力の変化を複数回測定し比較することによって、測定対象分子の導電性電極もしくは生体分子検出プローブへの結合の反応が平衡に達したことを知ることができる。   By calculating the difference in the output of the field-effect transistor before and after introducing the sample solution into the measurement solution, the external variation is removed, and the field-effect type by coupling the measurement target molecule to the conductive electrode or biomolecule detection probe Only the change in the output of the transistor can be measured. Furthermore, by measuring and comparing changes in the output of the field-effect transistor after introducing the sample solution multiple times, it is known that the reaction of binding of the molecule to be measured to the conductive electrode or biomolecule detection probe has reached equilibrium. be able to.

溶液中で導電性電極を使用する際に問題となる電極上の電気二重層の影響は、導電性電極と参照電極間に交流電圧を印加することにより、容易に除くことができる。尚、この交流電圧印加により、検出プローブと測定対象物との結合が外れることはない。また、導電性電極に金等の貴金属を用いることにより、溶液中の電極表面での反応は起こらない。さらに、この交流電圧印加により、試料溶液を注入する際に表面の電位が不安定になることを抑制できるため、生体分子検出プローブへの結合の反応過程を測定することができる。導電性電極と参照電極間に交流電圧を印加することにより電界効果型トランジスタの出力に生じるノイズは、交流電圧の周波数を考慮し平均化することにより除くことができる。   The influence of the electric double layer on the electrode, which becomes a problem when using the conductive electrode in the solution, can be easily removed by applying an AC voltage between the conductive electrode and the reference electrode. Note that the coupling between the detection probe and the measurement object is not released by the application of the AC voltage. Further, by using a noble metal such as gold for the conductive electrode, no reaction occurs on the electrode surface in the solution. Furthermore, since this AC voltage application can suppress the surface potential from becoming unstable when the sample solution is injected, the reaction process of the binding to the biomolecule detection probe can be measured. Noise generated in the output of the field effect transistor by applying an AC voltage between the conductive electrode and the reference electrode can be removed by averaging in consideration of the frequency of the AC voltage.

本発明によると、表面反応検出素子として導電性電極を有する電界効果型トランジスタを用いて、測定対象を導入したことで生じる導電性電極表面での反応の時間変化を測定することにより、測定対象と導電性電極表面もしくは測定対象と生体分子検出プローブの結合の反応過程を計測することができる。そのため、洗浄操作は不要になり、簡便に測定でき、かつ、測定対象添加による反応の終了を検出することができる。また、洗浄操作が不要であるため、洗浄を自動化するための装置や送液装置(フロー装置)が不要となり、装置が小型になる。測定の際に問題となる電極表面上の電気二重層の影響は、電極と参照電極間に交流電圧を印加することにより、容易に除くことができる。   According to the present invention, by using a field effect transistor having a conductive electrode as a surface reaction detection element, by measuring the time change of the reaction on the surface of the conductive electrode caused by introducing the measurement target, The reaction process of the binding between the surface of the conductive electrode or the measurement target and the biomolecule detection probe can be measured. Therefore, no washing operation is required, the measurement can be easily performed, and the end of the reaction due to the addition of the measurement target can be detected. In addition, since a cleaning operation is not required, a device for automating cleaning and a liquid feeding device (flow device) are not required, and the device is downsized. The influence of the electric double layer on the electrode surface, which is a problem during measurement, can be easily removed by applying an AC voltage between the electrode and the reference electrode.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明による生体分子検出素子の構成例を示す図である。本発明に使用する絶縁ゲート電界効果型トランジスタ1は、シリコン基板の表面にソース2、ドレイン3及びゲート絶縁物4を形成し、ソース、ドレイン間のゲート絶縁物表面に導電性電極5を設けてある。実際の測定の際には、導電性電極5と参照電極7を測定セル8中の測定溶液9中に配置し、参照電極7に電源10により直流電圧(バイアス成分)及び交流電圧を印加し、試料注入器11により試料溶液12を注入し、絶縁ゲート電界効果型トランジスタ1の電気特性変化、すなわちソース2とドレイン3との間を流れる電流値の変化を検出することにより、導電性電極5の表面で生じる反応の過程を測定する。13は試料注入管である。測定溶液には、硫酸ナトリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液、トリス塩酸緩衝液、リン酸緩衝液等を用いる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a biomolecule detection element according to the present invention. In the insulated gate field effect transistor 1 used in the present invention, a source 2, a drain 3 and a gate insulator 4 are formed on the surface of a silicon substrate, and a conductive electrode 5 is provided on the surface of the gate insulator between the source and drain. is there. In actual measurement, the conductive electrode 5 and the reference electrode 7 are arranged in the measurement solution 9 in the measurement cell 8, and a DC voltage (bias component) and an AC voltage are applied to the reference electrode 7 by the power source 10. By injecting the sample solution 12 with the sample injector 11 and detecting the change in the electric characteristics of the insulated gate field effect transistor 1, that is, the change in the current value flowing between the source 2 and the drain 3, Measure the process of reaction occurring on the surface. Reference numeral 13 denotes a sample injection tube. As the measurement solution, an aqueous solution of sodium sulfate, an aqueous solution of sodium chloride, a tris hydrochloric acid buffer, a phosphate buffer, or the like is used.

導電性電極5の表面に生体分子検出プローブ6を固定化することにより、試料溶液12中に含まれるDNAやタンパク質などの測定対象物と生体分子検出プローブ6の反応の過程を測定することができる。生体分子検出プローブ6は、一本鎖DNA断片等の核酸、抗体、抗原、酵素等のタンパク質・ペプチド、糖類等を用いることができる。生体分子検出用プローブの選択性は、生体成分固有の構造に由来する特異的な結合力(アフィニティ)の違いに基づいている。参照電極7は、測定溶液9中の導電性電極5の表面で起こる平衡反応あるいは化学反応に基づく電位変化を安定に測定するために、基準となる電位を与える。通常は参照電極としては、飽和塩化カリウムを内部溶液に使用している銀・塩化銀電極、あるいは甘こう(カロメル)電極が用いられるが、測定する試料溶液の組成が一定の場合には、疑似電極として銀・塩化銀電極のみを使用しても問題はない。参照電極7に所定の電圧を印加することにより、絶縁ゲート電界効果型トランジスタ1の電気的特性の動作点(すなわち、閾電圧)を調整することができる。   By immobilizing the biomolecule detection probe 6 on the surface of the conductive electrode 5, it is possible to measure the reaction process of the measurement object such as DNA or protein contained in the sample solution 12 with the biomolecule detection probe 6. . The biomolecule detection probe 6 can use nucleic acids such as single-stranded DNA fragments, antibodies, antigens, proteins and peptides such as enzymes, saccharides, and the like. The selectivity of the biomolecule detection probe is based on the difference in specific binding force (affinity) derived from the structure unique to the biological component. The reference electrode 7 provides a reference potential in order to stably measure a potential change based on an equilibrium reaction or a chemical reaction occurring on the surface of the conductive electrode 5 in the measurement solution 9. Usually, the reference electrode is a silver / silver chloride electrode or calomel electrode using saturated potassium chloride as the internal solution. However, if the composition of the sample solution to be measured is constant, There is no problem even if only a silver / silver chloride electrode is used as an electrode. By applying a predetermined voltage to the reference electrode 7, the operating point (that is, the threshold voltage) of the electrical characteristics of the insulated gate field effect transistor 1 can be adjusted.

好ましくは、絶縁ゲート電界効果型トランジスタ1は、シリコン酸化物を絶縁膜として用いる金属酸化物半導体(Metal-oxide-semiconducor)電界効果型トランジスタ(FET)であるが、薄膜トランジスタ(TFT)を用いても問題はない。ここでは、導電性電極の上に生体分子検出用プローブを固定した例を述べたが、生体分子検出用プローブの代わりにイオン感応膜を形成してもよい。例えば、pH計測の場合にはイオン感応膜として窒化シリコン(Si34)や酸化タンタル(Ta25)等の固体膜を、カリウムイオンの場合にはバリノマイシンを含有した液膜を形成すればよい。 Preferably, the insulated gate field effect transistor 1 is a metal oxide semiconductor field effect transistor (FET) using silicon oxide as an insulating film, but a thin film transistor (TFT) may also be used. No problem. Here, an example has been described in which a biomolecule detection probe is fixed on a conductive electrode, but an ion-sensitive film may be formed instead of the biomolecule detection probe. For example, in the case of pH measurement, a solid film such as silicon nitride (Si 3 N 4 ) or tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) is formed as an ion-sensitive film, and in the case of potassium ion, a liquid film containing valinomycin is formed. That's fine.

図2は、本発明による生体分子検出素子を用いた生体分子測定装置を示すブロック図である。本発明の計測システムは、測定部20、信号処理回路21、データ処理装置22、データ表示保存装置23から構成される。測定部20内には、絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ1、参照電極7、試料注入器11が配置されている。絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ1の電流値が信号処理回路21に伝達される。   FIG. 2 is a block diagram showing a biomolecule measuring apparatus using the biomolecule detecting element according to the present invention. The measurement system of the present invention includes a measurement unit 20, a signal processing circuit 21, a data processing device 22, and a data display storage device 23. An insulated gate field effect transistor 1, a reference electrode 7, and a sample injector 11 are disposed in the measurement unit 20. The current value of the insulated gate field effect transistor 1 is transmitted to the signal processing circuit 21.

測定手順は以下の通りである。最初、導電性電極5、及び導電性電極5の表面に固定化された生体分子検出用プローブ6と参照電極7を測定セル8中の測定溶液9中に配置し、参照電極7に電源10によりバイアス成分を含む交流電圧を印加する。試料注入器11を用いて測定セル8中の測定溶液9に試料溶液12を導入する。導入した試料溶液12中の分子が導電性電極5と結合したり、試料溶液12中の生体物質が導電性電極5の表面に固定化された生体分子検出用プローブ6と結合したりすると、絶縁ゲート電界効果型トランジスタ1の電気特性が変化する。その電気特性変化を信号処理回路21で処理し、データ処理装置22でデータ処理を行い、データ表示保存装置23でデータの表示及び保存を行う。   The measurement procedure is as follows. First, the conductive electrode 5, the biomolecule detection probe 6 immobilized on the surface of the conductive electrode 5, and the reference electrode 7 are placed in the measurement solution 9 in the measurement cell 8, and the power supply 10 is applied to the reference electrode 7. An AC voltage including a bias component is applied. A sample solution 12 is introduced into the measurement solution 9 in the measurement cell 8 using the sample injector 11. When the molecules in the introduced sample solution 12 are bonded to the conductive electrode 5 or the biological material in the sample solution 12 is bonded to the biomolecule detection probe 6 immobilized on the surface of the conductive electrode 5, insulation is caused. The electrical characteristics of the gate field effect transistor 1 change. The electrical characteristic change is processed by the signal processing circuit 21, data processing is performed by the data processing device 22, and data is displayed and stored by the data display storage device 23.

図3は、信号処理回路21での信号処理方法を示すブロック図である。信号処理回路21は、サンプリング装置42、平均化装置43から構成される。入力信号41は、測定部20からの出力値、すなわち絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ1の電流値である。   FIG. 3 is a block diagram showing a signal processing method in the signal processing circuit 21. The signal processing circuit 21 includes a sampling device 42 and an averaging device 43. The input signal 41 is an output value from the measurement unit 20, that is, a current value of the insulated gate field effect transistor 1.

信号処理手順は以下の通りである。入力信号41をサンプリング周波数fsでサンプリングを行う。各サンプリングにより得られた値を平均化装置43で平均化回数n回の平均化を行う。平均化した値を、出力信号44としてデータ処理装置22に伝達する。 The signal processing procedure is as follows. The input signal 41 is sampled at the sampling frequency f s . The value obtained by each sampling is averaged n times by the averaging device 43. The averaged value is transmitted as an output signal 44 to the data processing device 22.

この信号処理は、電源10から印加した高周波に対して絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ1が応答するために生じる成分を除去するために行う。電源10から印加した高周波の周波数をf、時刻をtとすると、印加した高周波に対するトランジスタからの出力は、次式で表される。   This signal processing is performed in order to remove a component generated due to the response of the insulated gate field effect transistor 1 to the high frequency applied from the power supply 10. When the frequency of the high frequency applied from the power supply 10 is f and the time is t, the output from the transistor for the applied high frequency is expressed by the following equation.

Figure 0004343894
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式(1)で表される成分を入力信号41に与えた場合、出力信号44は、サンプリング装置42のサンプリング周波数fs、平均化装置43の平均化回数nを用いて、式(2)で表される。 When the component represented by the equation (1) is given to the input signal 41, the output signal 44 is obtained by the equation (2) using the sampling frequency f s of the sampling device 42 and the averaging number n of the averaging device 43. expressed.

Figure 0004343894
Figure 0004343894

ここで、下式(3)が成り立つならば、式(2)の値は0となり、出力信号44は0となる。式(3)の条件が成り立つように、サンプリング装置42のサンプリング周波数fs、平均化装置43の平均化回数nを設定することによって、電源10から印加した高周波に対して絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ1が応答するために生じるノイズ成分は完全に除去できる。 Here, if the following expression (3) holds, the value of expression (2) becomes 0 and the output signal 44 becomes 0. By setting the sampling frequency f s of the sampling device 42 and the averaging number n of the averaging device 43 so that the condition of the expression (3) is satisfied, the insulated gate field effect type is applied to the high frequency applied from the power supply 10. A noise component generated due to the response of the transistor 1 can be completely removed.

Figure 0004343894
Figure 0004343894

しかしながら、トランジスタの電気特性は、図4のようにドレイン電流値はゲート電圧に対して、完全には線形でない。ここで、トランジスタの電流・電圧特性の測定は、半導体パラメータアナライザ(Agilent 4155C Semiconductor Parameter Analyzer)を用いて、図5に示す構成で行った。絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ1のソース2とドレイン3の間に、ドレインソース間電圧107を印加し、ソース2と導電性電極5の間にゲート電圧6(VG)を印加し、ドレイン3に流れる電流IDを電流計108により測定した。ドレインソース間電圧107は0.5Vとした。 However, as shown in FIG. 4, the drain current value of the transistor is not completely linear with respect to the gate voltage. Here, the current / voltage characteristics of the transistors were measured with a configuration shown in FIG. 5 using a semiconductor parameter analyzer (Agilent 4155C Semiconductor Parameter Analyzer). The drain-source voltage 107 is applied between the source 2 and the drain 3 of the insulated gate field effect transistor 1, the gate voltage 6 (V G ) is applied between the source 2 and the conductive electrode 5, and the drain 3 The current I D flowing through was measured with an ammeter 108. The drain-source voltage 107 was 0.5V.

印加する高周波の振幅が小さい場合は、ドレイン電流値はゲート電圧に対してほぼ線形であるとみなしても問題がない。そのため、測定部20からの出力としてドレイン電流値を用いても式(1)は成り立つ。しかし、印加する高周波の振幅がドレイン電流値はゲート電圧に対する非線形性を無視できないほど大きい場合、測定部20からの出力としてドレイン電流値を用いると、式(1)は成り立たなくなる。そこで、測定部20からの出力のドレイン電流値を、図4の関係を用いてゲート電圧に変換することにより、式(1)が成り立つようになる。   When the amplitude of the applied high frequency is small, there is no problem even if the drain current value is considered to be substantially linear with respect to the gate voltage. Therefore, even if the drain current value is used as the output from the measurement unit 20, the expression (1) is established. However, when the amplitude of the applied high frequency is so great that the non-linearity of the drain current value with respect to the gate voltage cannot be ignored, Equation (1) does not hold if the drain current value is used as the output from the measurement unit 20. Therefore, by converting the drain current value of the output from the measurement unit 20 into a gate voltage using the relationship of FIG. 4, Equation (1) is established.

ドレイン電流値をゲート電圧に変換する方法は、図4の関係を用いて計算機の演算によって変換する方法のほかに、電気回路を用いて行う方法もある。図6は、電気回路を用いてドレイン電流値をゲート電圧へ変換する方法を示すブロック図である。測定用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ51、測定部53、比較用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ52、比較部54、フィードバック回路55から構成される。測定部53から出力されたドレイン電流値と、比較部54から出力されたドレイン電流値が同一の値となるように、フィードバック回路55を用いて比較用絶縁ゲート型電界効果型トランジスタ52の導電性電極56に電圧を印加する。そして、その印加電圧を出力とすることで、ドレイン電流値をゲート電圧に変換することができる。   As a method of converting the drain current value into the gate voltage, there is a method of using an electric circuit in addition to a method of converting by calculation of a computer using the relationship of FIG. FIG. 6 is a block diagram illustrating a method for converting a drain current value into a gate voltage using an electric circuit. It comprises a measurement insulated gate field effect transistor 51, a measurement unit 53, a comparison insulated gate field effect transistor 52, a comparison unit 54, and a feedback circuit 55. The feedback circuit 55 is used for the conductivity of the comparison insulated gate field effect transistor 52 so that the drain current value output from the measurement unit 53 and the drain current value output from the comparison unit 54 have the same value. A voltage is applied to the electrode 56. Then, by using the applied voltage as an output, the drain current value can be converted into a gate voltage.

図7(a)は、データ処理装置でのデータ処理方法を示すフロー図である。ステップ11で参照電極7に電源10によりバイアス成分を含む1KHz以上の交流電圧を印加する。ステップ12で電圧印加後5分以上待機する。ステップ13で信号処理回路21からの出力を記録し、x0とする。ステップ14で試料注入器11を用いて測定セル8中の測定溶液9に試料溶液12を導入する。このときを時刻t = 0とする。ステップ15で信号処理回路21からの出力を記録しx1とし、時刻を記録しt1とする。ステップ16で信号処理回路21からの出力を記録しx2とし、時刻を記録しt2とする。ステップ17でステップ15とステップ16で記録した値の傾きsを、次式を用いて計算する。 FIG. 7A is a flowchart showing a data processing method in the data processing apparatus. In step 11, an alternating voltage of 1 KHz or more including a bias component is applied to the reference electrode 7 by the power source 10. In step 12, wait for at least 5 minutes after applying the voltage. Records output from the signal processing circuit 21 at step 13, and x 0. In step 14, the sample solution 12 is introduced into the measurement solution 9 in the measurement cell 8 using the sample injector 11. This time is time t = 0. In step 15, the output from the signal processing circuit 21 is recorded as x 1 and the time is recorded as t 1 . The output from the signal processing circuit 21 and recorded x 2 in step 16, records the time and t 2. In step 17, the slope s of the values recorded in steps 15 and 16 is calculated using the following equation.

Figure 0004343894
Figure 0004343894

ステップ18で、導電性電極5上での反応が平衡に達し、信号処理回路21からの出力が安定したかを判定する。判定は、次式を用いて行う。   In step 18, it is determined whether the reaction on the conductive electrode 5 has reached equilibrium and the output from the signal processing circuit 21 has become stable. The determination is performed using the following equation.

Figure 0004343894
Figure 0004343894

この式が成り立つならステップ19に進み、この式が成り立たない場合はステップ15に戻る。ステップ19では、測定溶液9に試料溶液12を導入したことによる信号処理回路21からの出力の変化Δxを、次式を用いて計算し、出力する。   If this formula is true, the process proceeds to step 19, and if this formula is not true, the process returns to step 15. In step 19, a change Δx in output from the signal processing circuit 21 due to the introduction of the sample solution 12 into the measurement solution 9 is calculated using the following equation and output.

Figure 0004343894
Figure 0004343894

ステップ18における判定は、以下の根拠に基づく。測定溶液9に試料溶液12を導入したことによる信号処理回路21からの出力の変化Δxが、次式の緩和曲線に従うと仮定する。   The determination in step 18 is based on the following grounds. It is assumed that the change Δx in the output from the signal processing circuit 21 due to the introduction of the sample solution 12 into the measurement solution 9 follows the relaxation curve of the following equation.

Figure 0004343894
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ここで、ΔxTは、平衡状態に達したときの出力の変化、tは試料注入時を0としたときの時刻、τは緩和時間とする。このとき、出力の時間変化は、式(8)である。式(9)とおくと、式(7)(8)から式(10)が導かれる。 Here, Δx T is the change in output when the equilibrium state is reached, t is the time when the sample injection time is 0, and τ is the relaxation time. At this time, the time change of the output is expressed by Equation (8). If Equation (9) is set, Equation (10) is derived from Equations (7) and (8).

Figure 0004343894
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式(10)の右辺の式を、横軸をuとして図8に表す。通常の酵素免疫測定法において、定量精度が80%程度あれば実用上十分であるため、実用上はΔxがΔxTの80%に達したことを判断できれば良い。ΔxがΔxTの80%に達したことは、式(11)のように表され、このとき、式(12)である。式(12)において、式(13)としたとき、上式(5)が得られる。 The expression on the right side of Expression (10) is shown in FIG. In conventional enzyme immunoassay, because practically a sufficient quantitative accuracy of about 80%, practically it is sufficient determines that the [Delta] x reaches 80% of the [Delta] x T. The [Delta] x reaches 80% of the [Delta] x T is expressed by equation (11), this time, an expression (12). When formula (13) is used in formula (12), the above formula (5) is obtained.

Figure 0004343894
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また、式(10)と式(13)から求まる下式(14)をもとに、uを求め、式(6)(7)から求まる下式(15)に代入し、ΔxTを求めることもできる。 Also, based on the following equation (14) obtained from equation (10) and equation (13), find u and substitute it into the following equation (15) obtained from equations (6) and (7) to obtain Δx T You can also.

Figure 0004343894
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図7(a)のステップ15から17の代わりに、図7(b)のステップ21から24のような複数回の記録をもとに傾きを判定しても良い。この場合、傾きの判定には、多項式や指数関数を用いて最小二乗法などによりフィッティングを行うことが好ましい。また、ステップ19での出力には、複数回の記録をもとに平均化やフィッティングを用いても良い。   Instead of steps 15 to 17 in FIG. 7A, the inclination may be determined based on a plurality of recordings such as steps 21 to 24 in FIG. 7B. In this case, it is preferable to perform fitting by a least square method or the like using a polynomial or an exponential function for determining the inclination. The output in step 19 may use averaging or fitting based on a plurality of recordings.

図9は、本発明の他の実施例である絶縁ゲート電界効果トランジスタの構造例を示す図である。図9(a)、(b)は、各々断面構造及び平面構造を表わしている。絶縁ゲート電界効果トランジスタ81は、シリコン基板の表面にソース82、ドレイン83、及びゲート絶縁物84を形成し、導電性電極85を設けてある。検出プローブを固定化する導電性電極85と絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート86を導電性配線87で接続してある。本構造を採用することにより、プローブを固定化する導電性電極85を任意の場所に、かつ任意の大きさに形成できる。測定対象に応じて、測定感度を向上させるためにプローブ固定化電極面積を大きくすることも容易である。さらに、測定対象の違う様々なセンサチップを作製する場合にも個別に作製する必要がなく、従来の半導体プロセスを用いてプローブ固定化電極以外の部分を共通に作製し、最後に測定対象に合わせてプローブ固定化電極及び測定対象物の固定化を行なうことができ、大幅に製作コストが低減できる。   FIG. 9 is a diagram showing a structure example of an insulated gate field effect transistor according to another embodiment of the present invention. FIGS. 9A and 9B show a cross-sectional structure and a planar structure, respectively. In the insulated gate field effect transistor 81, a source 82, a drain 83, and a gate insulator 84 are formed on the surface of a silicon substrate, and a conductive electrode 85 is provided. A conductive electrode 85 for fixing the detection probe and a gate 86 of the insulated gate field effect transistor are connected by a conductive wiring 87. By adopting this structure, the conductive electrode 85 for fixing the probe can be formed at any location and in any size. Depending on the measurement object, it is easy to increase the probe-immobilized electrode area in order to improve the measurement sensitivity. In addition, when manufacturing various sensor chips with different measurement targets, it is not necessary to manufacture them individually. Instead, using a conventional semiconductor process, the parts other than the probe-immobilized electrode are manufactured in common, and finally the measurement target is matched. Thus, the probe-immobilized electrode and the measurement object can be immobilized, and the manufacturing cost can be greatly reduced.

図10(a)、(b)は、図1に示した参照電極7に交流電圧を印加して、導電性電極5上の電気二重層の影響を除去した効果を示す図である。トランジスタの電流・電圧特性、インピーダンス、電気容量等の測定は、半導体パラメータアナライザ(Agilent 4155C Semiconductor Parameter Analyzer)及びインピーダンスアナライザ(Agilent 4294A Precision Impedance Analyzer)を用いて行った。溶液中の評価は、ゲート側に参照電極(Ag/AgCl参照電極)を使用して行った。ゲートへの交流電圧印加は、中心電圧50mV、振幅電圧50mVで行った。図10(b)は、図10(a)中の点線円中を拡大して表示したものである。   FIGS. 10A and 10B are diagrams showing the effect of removing the influence of the electric double layer on the conductive electrode 5 by applying an AC voltage to the reference electrode 7 shown in FIG. Measurements of transistor current / voltage characteristics, impedance, capacitance, etc. were performed using a semiconductor parameter analyzer (Agilent 4155C Semiconductor Parameter Analyzer) and an impedance analyzer (Agilent 4294A Precision Impedance Analyzer). Evaluation in solution was performed using a reference electrode (Ag / AgCl reference electrode) on the gate side. The AC voltage was applied to the gate at a center voltage of 50 mV and an amplitude voltage of 50 mV. FIG. 10B is an enlarged view of the dotted circle in FIG.

導電性電極5は、フローティングゲートとして用いられる。溶液中では導電性電極5の表面に電気二重層が形成され、絶縁ゲート電界効果トランジスタ1の電気特性変化に影響し、大きなバックグランドノイズとなる。特に、導電性電極5として金、銀等の貴金属を使用する場合には顕著である。本実施例では、導電性電極5として金を使用し、この電気二重層の影響を除去するために、参照電極7に交流電圧を印加している。図10(b)に示すように、直流(DC)印加に比べて、交流電圧を加えた場合にはドレイン電流値(ID)が減少し、電気二重層の影響除去の効果があることが分かる。その際、印加する交流電圧の周波数を大きくすることにより、ドレイン電流値(ID)は単調に減少し、交流電圧印加の効果が大きいことが分かる。   The conductive electrode 5 is used as a floating gate. In the solution, an electric double layer is formed on the surface of the conductive electrode 5, which affects the change in the electric characteristics of the insulated gate field effect transistor 1 and becomes a large background noise. This is particularly noticeable when a noble metal such as gold or silver is used as the conductive electrode 5. In this embodiment, gold is used as the conductive electrode 5, and an alternating voltage is applied to the reference electrode 7 in order to remove the influence of the electric double layer. As shown in FIG. 10 (b), it can be understood that the drain current value (ID) decreases when an AC voltage is applied, compared with the case where a direct current (DC) is applied, and the effect of removing the influence of the electric double layer is obtained. . At this time, it can be seen that by increasing the frequency of the applied AC voltage, the drain current value (ID) decreases monotonously and the effect of applying the AC voltage is great.

また、導電性電極上の電気二重層の大きさは、電気容量の大きさに比例する。実際に測定した金電極表面上の電気二重層の電気容量の印加電圧周波数依存性を図11に示す。図11(a)は、絶縁ゲート電界効果トランジスタの電気容量を表わしており、周波数依存性は無くほぼ一定の値である。一方、図11(b)は溶液中の値、すなわち絶縁ゲート電界効果トランジスタ単体の電気容量と金電極表面の電気二重層の電気容量の合計である。この場合、電気的等価回路ではコンデンサと見なせるため、測定値の逆数は各々の値の逆数の和を表わしている。図11(b)に示すように、交流電圧を印加することにより、電気容量は本来の絶縁ゲート電界効果トランジスタ単体の電気容量の値に近づき、100kHz以上でほぼ同じになった。すなわち、100kHz以上の交流電圧を印加すれば、金電極表面の電気二重層の影響をほぼ完全に除くことができることを示している。   The size of the electric double layer on the conductive electrode is proportional to the size of the electric capacity. FIG. 11 shows the applied voltage frequency dependence of the electric capacitance of the electric double layer on the gold electrode surface actually measured. FIG. 11A shows the capacitance of the insulated gate field effect transistor, which is almost constant without frequency dependency. On the other hand, FIG. 11B shows the value in the solution, that is, the sum of the electric capacity of the insulated gate field effect transistor alone and the electric capacity of the electric double layer on the gold electrode surface. In this case, since the electrical equivalent circuit can be regarded as a capacitor, the reciprocal of the measured value represents the sum of the reciprocal of each value. As shown in FIG. 11B, by applying an alternating voltage, the electric capacity approached the value of the original electric capacity of the insulated gate field effect transistor alone and became substantially the same at 100 kHz or more. That is, it is shown that if an alternating voltage of 100 kHz or higher is applied, the influence of the electric double layer on the gold electrode surface can be almost completely eliminated.

交流電圧印加の効果を、他の実施例を用いて説明する。図12(a)、(b)は、測定開始からドレイン電流が安定するまでの経時変化を示した図である。使用した絶縁ゲート電界効果トランジスタの金電極表面には、21塩基の一本鎖DNA(5'-HS-(CH2)6-TACGC CACCA GCTCC AACTA C-3’、k-ras coden12遺伝子と相補的な配列)が6個の炭素鎖を介してチオールと金との結合により固定化されている。図12(a)は正電位を、図12(b)は負電位を印加した場合のドレイン電流の経時変化を示している。通常の測定では、参照電極への電圧印加は直流を使用するが、絶縁ゲート電界効果トランジスタに試料溶液を導入すると、金電極表面の電位が変化し、安定するまでに30分以上の時間を要する。しかし、図12(a)、(b)に示すように正電位印加、負電位印加いずれの場合も、印加する電圧の周波数を大きくすると、ドレイン電流値が安定化するまでの時間が短くなることが分かる。 The effect of applying the alternating voltage will be described using another embodiment. FIGS. 12A and 12B are diagrams showing changes over time from the start of measurement until the drain current is stabilized. On the surface of the gold electrode of the insulated gate field effect transistor used, a 21-base single-stranded DNA (5'-HS- (CH 2 ) 6 -TACGC CACCA GCTCC AACTA C-3 'is complementary to the k-ras coden12 gene. Is fixed by a bond between thiol and gold via six carbon chains. FIG. 12A shows a change over time in drain current when a positive potential is applied, and FIG. 12B shows a drain current when a negative potential is applied. In normal measurement, a direct current is used to apply a voltage to the reference electrode. However, when a sample solution is introduced into an insulated gate field effect transistor, the potential on the gold electrode surface changes and takes more than 30 minutes to stabilize. . However, as shown in FIGS. 12A and 12B, in either case of applying a positive potential or applying a negative potential, increasing the frequency of the applied voltage shortens the time until the drain current value is stabilized. I understand.

その結果を、周波数と安定化するまでの時間の関係として図13に表わしている。図13が示すように、安定化するまでの時間は、正電位印加(●で表示)、負電位印加(○で表示)いずれの場合も、印加する電圧の周波数が1kHz以上でほぼ一定になった。尚、低周波印加電圧の場合に、正電位電圧印加に比べ負電位電圧印加の安定化時間が短いのは、DNAが負電荷を帯びており、金電極表面と反発した状態、すなわちDNA断片が立った状態になっていることに起因していると思われる。   The result is shown in FIG. 13 as the relationship between the frequency and the time until stabilization. As shown in FIG. 13, the time until stabilization is almost constant when the frequency of the applied voltage is 1 kHz or more in both cases of positive potential application (indicated by ●) and negative potential application (indicated by ○). It was. In the case of a low frequency applied voltage, the stabilization time of the negative potential voltage application is shorter than that of the positive potential voltage application because the DNA is negatively charged and repels the gold electrode surface, that is, the DNA fragment is It seems to be caused by standing up.

本発明の交流電圧印加の効果を、他の実施例を用いて説明する。一般に、チオールを有する化合物は、金表面と反応してAu−S結合し、高密度・高配向な自己組織化単分子膜(Self-Assembled Monolayers; SAMs)を形成することが知られている。その性質を利用して表面状態もアルキル基や末端の官能基、主鎖の親水基などにより容易に変化させることができる。例えば、図14に示すように、アルカンチオール91の末端の官能基にアミノ基を用いれば、金電極92の表面は正電荷93になり、アルカンチオール94の末端の官能基にカルボキシル基を用いれば、金電極95の表面は負電荷96になる。この性質を利用して、本発明のトランジスタの金電極上の表面電荷状態を変化させたサンプルを作製し、交流電圧印加の効果を調べた。金電極表面の電荷状態が違うサンプルは、末端の官能基の違うアルカンチオール;アミノ基(11−アミノ−1−ウンデカンチオール;11−AUT)、水酸基(11−ヒドロキシ−1−ウンデカンチオール;11−HUT)、カルボキシル基(10−カルボキシ−1−デカンチオール;10−CDT)を用いた。金電極への固定化は、金電極をアルカンチオールエタノール溶液中に約1時間浸漬し、その後、エタノール及び純水で洗浄して使用した。   The effect of the AC voltage application of the present invention will be described using another embodiment. In general, it is known that a compound having a thiol reacts with a gold surface to form an Au—S bond to form self-assembled monolayers (SAMs) having high density and high orientation. Using this property, the surface state can be easily changed by an alkyl group, a terminal functional group, a hydrophilic group of the main chain, or the like. For example, as shown in FIG. 14, if an amino group is used as the functional group at the end of the alkanethiol 91, the surface of the gold electrode 92 becomes a positive charge 93, and a carboxyl group is used as the functional group at the end of the alkanethiol 94. The surface of the gold electrode 95 becomes a negative charge 96. Taking advantage of this property, a sample in which the surface charge state on the gold electrode of the transistor of the present invention was changed was produced, and the effect of applying an alternating voltage was examined. Samples with different charge states on the surface of the gold electrode were alkanethiol having different terminal functional groups; amino group (11-amino-1-undecanethiol; 11-AUT), hydroxyl group (11-hydroxy-1-undecanethiol; 11- HUT) and a carboxyl group (10-carboxy-1-decanethiol; 10-CDT) were used. For immobilization on the gold electrode, the gold electrode was immersed in an alkanethiol ethanol solution for about 1 hour, and then washed with ethanol and pure water before use.

電荷状態の違いを測定した結果を、図15(a)、(b)に示す。本実験においても、図12(a)、(b)で説明したように、参照電極に直流電圧を印加した場合にはドレイン電流値が安定化するまで1時間以上要した。そのため、参照電極に直流電圧を印加した場合は測定溶液に浸漬1時間後のデータで、1MHzの交流電圧印加の場合は測定溶液に浸漬5分後のデータである。アルカンチオールを固定化することにより、未処理金電極(図中ではbareと表記)に比べて、ドレイン電流が減少した。さらに、末端の官能基に違いを反映し、アミノ基(正電荷;+1)、水酸基(中性電荷;±0)、カルボキシル基(負電荷;−1)の順番にドレイン電流が流れやくなった。つまり、金電極表面にプラスチャージが存在するとドレイン電流が流れやすくなる。反対に金電極表面にマイナスチャージが存在するとドレイン電流が流れ難くなる(図15(a))。この傾向はFETセンサの特性を良く表わしており、センサが正常に駆動していることを示している。   The results of measuring the difference in charge state are shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b). Also in this experiment, as described with reference to FIGS. 12A and 12B, when a DC voltage was applied to the reference electrode, it took 1 hour or more until the drain current value was stabilized. Therefore, when DC voltage is applied to the reference electrode, the data is 1 hour after immersion in the measurement solution, and when 1 MHz AC voltage is applied, the data is 5 minutes after immersion in the measurement solution. Immobilization of alkanethiol reduced the drain current compared to the untreated gold electrode (indicated as bare in the figure). Furthermore, reflecting the difference in the terminal functional group, the drain current became easier to flow in the order of amino group (positive charge; +1), hydroxyl group (neutral charge; ± 0), carboxyl group (negative charge; -1). . That is, if a positive charge is present on the gold electrode surface, the drain current tends to flow. On the other hand, if a negative charge is present on the gold electrode surface, it becomes difficult for the drain current to flow (FIG. 15A). This tendency well represents the characteristics of the FET sensor, indicating that the sensor is operating normally.

図15(b)に示すように、ゲート(すなわち、参照電極)に交流電圧(1MHz)を印加すると、全体のドレイン電流が小さくなり、かつ末端の官能基に違いよるドレイン電流の差も大きくなり、交流電圧印加の効果があることが分かる。本実験に使用した金電極の面積(0.16mm;0.4×0.4mm)と金電極上のアルカンチオールの密度(4個/nm)を用いると、本測定では約1pmolの分子の電荷の違いを検出できたことになる。尚、金電極上のアルカンチオールの密度は、強アルカリ条件下のボルタンメトリーにより測定した。 As shown in FIG. 15B, when an AC voltage (1 MHz) is applied to the gate (that is, the reference electrode), the entire drain current is reduced, and the difference in the drain current depending on the functional group at the end is also increased. It can be seen that there is an effect of applying an alternating voltage. Using the area of the gold electrode used in this experiment (0.16 mm 2 ; 0.4 × 0.4 mm) and the density of alkanethiol on the gold electrode (4 / nm 2 ), about 1 pmol of molecules were used in this measurement. That is, the difference in charge between the two can be detected. The density of alkanethiol on the gold electrode was measured by voltammetry under strong alkali conditions.

本発明の交流電圧印加の効果を、他の実施例を用いて説明する。図16(a)は、図2に示した参照電極7に交流電圧を印加して、試料溶液12を測定溶液9内に導入した際のドレイン電流の経時変化を示す図である。図16(b)は、図16(a)の試料溶液導入前後を拡大したものである。参照電極7にはAg/AgCl参照電極を使用した。参照電極7への交流電圧印加は、中心電圧100mV、振幅電圧100mVで行った。測定開始時の絶縁ゲート電界効果型トランジスタ1の導電性電極5には未処理金電極を用いた。測定溶液9には0.1M Na2SO4水溶液1.9mlを用いた。試料溶液12にはアルカンチオール水溶液として1mM 6-HHT(6−ヒドロキシ−1−ヘキサンチオール;HS-(CH2)6-OH)水溶液0.1mlを用いた。 The effect of the AC voltage application of the present invention will be described using another embodiment. FIG. 16A is a diagram showing a change with time in drain current when an AC voltage is applied to the reference electrode 7 shown in FIG. 2 and the sample solution 12 is introduced into the measurement solution 9. FIG. 16 (b) is an enlarged view of the sample solution before and after introduction of FIG. 16 (a). As the reference electrode 7, an Ag / AgCl reference electrode was used. The AC voltage was applied to the reference electrode 7 at a center voltage of 100 mV and an amplitude voltage of 100 mV. An untreated gold electrode was used as the conductive electrode 5 of the insulated gate field effect transistor 1 at the start of measurement. As the measurement solution 9, 1.9 ml of 0.1M Na 2 SO 4 aqueous solution was used. As the sample solution 12, 0.1 ml of 1 mM 6-HHT (6-hydroxy-1-hexanethiol; HS- (CH 2 ) 6 —OH) aqueous solution was used as the alkanethiol aqueous solution.

測定開始600秒後に、試料溶液12全量を測定溶液9に導入した。いずれの周波数でも、試料溶液12の導入後、ドレイン電流値の減少が見られた。周波数が1KHz以下の場合には、ドレイン電流値は減少後再び増加し、安定化までには10分以上を要した。一方で、周波数が10KHz以上の場合には、ドレイン電流値は減少後ほとんど増加することなく、安定化までの時間は周波数が1KHz以下の場合と比べて短かった。これは、周波数が1KHz以下の場合には、試料溶液12を導入したことにより、導電性電極5の表面電位が不安定になるが、周波数が10KHz以上の場合には、試料溶液12を導入による導電性電極5の表面電位の乱れが無くなるためであると考えられる。この交流電圧印加により表面電位を安定化させる効果により、周波数を10KHz以上とすることで、導電性電極5の表面で生じる反応の過程を測定することができるようになる。   600 seconds after the start of measurement, the entire amount of the sample solution 12 was introduced into the measurement solution 9. At any frequency, a decrease in drain current value was observed after the sample solution 12 was introduced. When the frequency was 1 KHz or less, the drain current value increased again after decreasing, and it took more than 10 minutes to stabilize. On the other hand, when the frequency was 10 KHz or more, the drain current value hardly increased after the decrease, and the time to stabilization was shorter than that when the frequency was 1 KHz or less. This is because the surface potential of the conductive electrode 5 becomes unstable due to the introduction of the sample solution 12 when the frequency is 1 KHz or less, but the sample solution 12 is introduced when the frequency is 10 KHz or more. This is probably because the disturbance of the surface potential of the conductive electrode 5 is eliminated. Due to the effect of stabilizing the surface potential by applying this alternating voltage, the process of the reaction occurring on the surface of the conductive electrode 5 can be measured by setting the frequency to 10 KHz or more.

試料溶液12の導入によりドレイン電流値が減少したことは、図15によって説明できる。図14では、未処理金電極の電流値よりも11−HUTを固定化した金電極の電流値の方が小さくなっている。6−HHTが固定化された金電極の電流値も同様に、未処理金電極の電流値よりも小さくなる。すなわち、試料溶液12の導入により導電性電極5上に6−HHTが固定化されたために、ドレイン電流値は減少した。この固定化は、次の化学反応によって書き表される。
Au+HS-(CH2)6-OH → Au-S-(CH2)6-OH+1/2H2
The decrease in the drain current value due to the introduction of the sample solution 12 can be explained with reference to FIG. In FIG. 14, the current value of the gold electrode in which 11-HUT is fixed is smaller than the current value of the untreated gold electrode. Similarly, the current value of the gold electrode to which 6-HHT is fixed is smaller than the current value of the untreated gold electrode. That is, since 6-HHT was immobilized on the conductive electrode 5 by introducing the sample solution 12, the drain current value decreased. This immobilization is expressed by the following chemical reaction.
Au + HS- (CH 2 ) 6 -OH → Au-S- (CH 2 ) 6 -OH + 1 / 2H 2

図17は、試料溶液12に用いたアルカンチオール水溶液の濃度が異なるときに、反応速度が異なることを示す図である。アルカンチオール水溶液として0.05mM 6-HHT水溶液0.1mlと1mM 6-HHT水溶液0.1mlを用いた。参照電極7への交流電圧印加は、中心電圧100mV、振幅電圧100mV、周波数1MHzで行った。測定開始時の絶縁ゲート電界効果型トランジスタ1の導電性電極5には未処理金電極を用いた。測定溶液9には0.1M Na2SO4水溶液1.9mlを用いた。 FIG. 17 is a diagram showing that the reaction rate is different when the concentration of the alkanethiol aqueous solution used for the sample solution 12 is different. As the alkanethiol aqueous solution, 0.1 ml of 0.05 mM 6-HHT aqueous solution and 0.1 ml of 1 mM 6-HHT aqueous solution were used. The AC voltage was applied to the reference electrode 7 at a center voltage of 100 mV, an amplitude voltage of 100 mV, and a frequency of 1 MHz. An untreated gold electrode was used as the conductive electrode 5 of the insulated gate field effect transistor 1 at the start of measurement. As the measurement solution 9, 1.9 ml of 0.1M Na 2 SO 4 aqueous solution was used.

1mMの場合は反応が1分以内に終了しているが、0.05mMの場合は反応が終了するのに10分以上かかっている。このように、濃度により反応速度が異なることを測定できたのは、試料溶液導入の前後で測定を行い、交流電圧を印加したためである。従来は反応が終了するまでの時間を推測、もしくは別途測定により検討する必要があったが、試料溶液導入の前後で測定を行い、ドレイン電流値が安定したか判断することにより、反応により変化したドレイン電流値の差分を迅速にかつ確実に得ることができる。   In the case of 1 mM, the reaction was completed within 1 minute, but in the case of 0.05 mM, it took 10 minutes or more to complete the reaction. Thus, it was able to measure that the reaction rate was different depending on the concentration because the measurement was performed before and after the introduction of the sample solution, and an AC voltage was applied. Conventionally, it was necessary to estimate the time until the reaction was completed or to examine it separately, but it was changed by the reaction by measuring before and after introducing the sample solution and judging whether the drain current value was stable. The difference in drain current value can be obtained quickly and reliably.

表面状態検出素子を用いたタンパク質検出法を以下に説明する。図2の構成において、導電性電極5に金電極を、生体分子検出用プローブ6にタンパク質検出プローブを、参照電極7にAg/AgCl参照電極を、参照電極7への交流電圧印加には中心電圧50mV、振幅電圧50mV、周波数1MHzを、測定溶液9には0.1M リン酸バッファー(pH7)450μLを、試料溶液12には750nMのトロンビンを含む0.1M リン酸バッファー(pH7)50μLを用いた。   A protein detection method using the surface state detection element will be described below. In the configuration of FIG. 2, a gold electrode is used for the conductive electrode 5, a protein detection probe is used for the biomolecule detection probe 6, an Ag / AgCl reference electrode is used for the reference electrode 7, and a central voltage is applied to the AC voltage applied to the reference electrode 7. 50 mV, amplitude voltage 50 mV, frequency 1 MHz, 450 μL of 0.1 M phosphate buffer (pH 7) was used for the measurement solution 9, and 50 μL of 0.1 M phosphate buffer (pH 7) containing 750 nM thrombin was used for the sample solution 12.

タンパク質検出プローブとして、タンパク質の一種のトロンビンと特異的に結合する一本鎖DNA(アプタマーDNA;HS-(CH2)6-5'-TTTTT TTTTT GGTTG GTGTG GTTGG-3')を用いた。タンパク質検出プローブの固定化の際に、アルカンチオールとの混合液を用いることで、タンパク質検出プローブの固定化密度を制御した。アルカンチオールとして、6−ヒドロキシ−1−ヘキサンチオールを用い、タンパク質検出プローブとアルカンチオールの濃度比を1:10とし、タンパク質検出プローブの密度を2.6×1012個/cm2に制御した。タンパク質検出プローブが格子状に固定化されていると仮定すると、タンパク質検出プローブの間隔は6.2nmであり、この間隔はトロンビンの直径約5nmよりも大きい。尚、金電極上のタンパク質検出プローブの密度は、強アルカリ条件下のボルタンメトリーにより測定した。 As a protein detection probe, a single-stranded DNA (aptamer DNA; HS- (CH 2 ) 6 -5′-TTTTT TTTTT GGTTG GTGTG GTTGG-3 ′) that specifically binds to a kind of protein thrombin was used. When immobilizing the protein detection probe, the immobilization density of the protein detection probe was controlled by using a mixed solution with alkanethiol. As the alkanethiol, 6-hydroxy-1-hexanethiol was used, the concentration ratio of the protein detection probe to the alkanethiol was 1:10, and the density of the protein detection probe was controlled to 2.6 × 10 12 cells / cm 2 . Assuming that the protein detection probes are immobilized in a grid, the protein detection probe spacing is 6.2 nm, which is greater than the thrombin diameter of about 5 nm. The density of the protein detection probe on the gold electrode was measured by voltammetry under strong alkaline conditions.

測定した結果を図18に示す。試料溶液の導入から30秒程度遅れて、ドレイン電流値は減少した。30秒程度の遅れは、導入した試料溶液の拡散にこの程度の時間を要したためである。ドレイン電流値の減少は、タンパク質検出プローブとトロンビンが結合したことにより、金薄膜表面の電位が変化したためである。すなわち、試料溶液注入によるドレイン電流の時間変化を測定することにより、非結合タンパク質を洗浄操作により除去することなくタンパク質検出プローブと試料溶液内の測定対象タンパク質(トロンビン)との結合を測定することができた。結果、非結合タンパク質を洗浄操作により除去することなく、試料溶液内に測定対象タンパク質が含まれていることを明らかにした。   The measurement results are shown in FIG. The drain current value decreased about 30 seconds after the introduction of the sample solution. The delay of about 30 seconds is due to the time required for the diffusion of the introduced sample solution. The decrease in the drain current value is due to a change in the potential of the gold thin film surface due to the binding of the protein detection probe and thrombin. That is, by measuring the time change of the drain current due to sample solution injection, the binding between the protein detection probe and the protein to be measured (thrombin) in the sample solution can be measured without removing unbound protein by a washing operation. did it. As a result, it was clarified that the protein to be measured was contained in the sample solution without removing unbound protein by washing operation.

本実施例の他にも、タンパク質検出プローブとして、抗体、抗原、又は抗体の一部分(例えば、Fab')を固定化することで、様々な抗体、抗原を洗浄操作なしで測定することができる。   In addition to this example, various antibodies and antigens can be measured without washing operations by immobilizing antibodies, antigens, or portions of antibodies (for example, Fab ′) as protein detection probes.

図19は、本発明による生体分子検出素子の他の構成例を示す図である。本実施例の生体分子検出素子は、同一素子にサンプル測定用電極とリファレンス用電極を混載したものである。本実施例の素子は、サンプル測定用電極111、リファレンス用電極112、及び温度計測用ダイオード113が混載された構造になっている。本素子のサンプル測定用電極111及びリファレンス用電極112は、各々絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート114,115と導電性配線116,117で接続されている。すなわち、本素子は延長ゲート型の構造である。また、絶縁層はSiO2(厚さ17.5nm)で、電極として金電極(400μm×400μm)を用いている。尚、本素子も水溶液を使用するため、FETの閾値電圧を−0.5V付近に設定してある。本素子に混載する温度計測用ダイオードはn/p接合型を用いた。 FIG. 19 is a diagram showing another configuration example of the biomolecule detection element according to the present invention. The biomolecule detection element of the present example is an element in which a sample measurement electrode and a reference electrode are mixedly mounted on the same element. The element of this embodiment has a structure in which a sample measuring electrode 111, a reference electrode 112, and a temperature measuring diode 113 are mixedly mounted. The sample measurement electrode 111 and the reference electrode 112 of this element are connected to the gates 114 and 115 of the insulated gate field effect transistor and the conductive wirings 116 and 117, respectively. That is, this element has an extended gate type structure. The insulating layer is made of SiO 2 (thickness 17.5 nm), and a gold electrode (400 μm × 400 μm) is used as an electrode. Since this element also uses an aqueous solution, the threshold voltage of the FET is set to around -0.5V. An n + / p junction type was used as the temperature measurement diode mixedly mounted on this element.

図20は、本発明による生体分子検出素子の他の構成例を示す図である。本発明で使用する素子の動作原理は、ゲートあるいはフローティングゲート(すなわち、導電性電極)表面に固定したプローブに測定対象物が結合する際に生じるゲート表面の電位変化により、ソース・ドレイン間の電流が変化する原理に基づいている。その際のドレイン電流IDは次式で表される。 FIG. 20 is a diagram showing another configuration example of the biomolecule detection element according to the present invention. The operation principle of the element used in the present invention is that the current between the source and the drain is caused by the potential change of the gate surface that occurs when the measurement object is bonded to the probe fixed to the surface of the gate or floating gate (that is, the conductive electrode). Is based on the principle of changing. The drain current ID at that time is expressed by the following equation.

Figure 0004343894
Figure 0004343894

ここで、Wはチャネル幅、Lはチャネル長、μcは移動度、CGはゲート絶縁膜と金表面の結合電気容量、VGはゲート電圧、Vtはチャネルが形成される閾値電圧、VDSはソース・ドレイン間の電圧である。 Here, W is the channel width, L is the channel length, μ c is the mobility, C G is the coupling capacitance between the gate insulating film and the gold surface, V G is the gate voltage, V t is the threshold voltage at which the channel is formed, V DS is a voltage between the source and the drain.

そのため、本素子の測定感度を向上させるためには、電流の変化率、すなわちW/Lを大きくすれば良い。従来は測定感度向上のために、チャネル幅を長くし、チャネル長を短くするためチャネルの形状が縦長の構造(例えば、W/L=100/1)になっていた。本実施例では、図20に示すように、ソース121とドレイン122をくし形にし、その間のチャネルをジグザグ形状123にし、ソース121、ドレイン122の間のチャネルの長さと幅の比を大きくした(W/L=480/1)。本構造では、400×400μmの形状の中にくし形構造を形成してあり、同じ広さの中に形成した従来の構造(例えば、400×5μm)に比べて、約6倍以上の高感度である。尚、本素子の導電性電極124と絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート(ジグザグ形状のチャネル123の上層部)が導電性配線125で接続されている。   Therefore, in order to improve the measurement sensitivity of this element, the current change rate, that is, W / L may be increased. Conventionally, in order to improve the measurement sensitivity, the channel width is lengthened and the channel shape is a vertically long structure (for example, W / L = 100/1) in order to shorten the channel length. In this embodiment, as shown in FIG. 20, the source 121 and the drain 122 are comb-shaped, the channel between them is a zigzag shape 123, and the ratio of the length and width of the channel between the source 121 and the drain 122 is increased ( W / L = 480/1). In this structure, a comb-shaped structure is formed in a 400 × 400 μm shape, and the sensitivity is about 6 times higher than that of a conventional structure (for example, 400 × 5 μm) formed in the same area. It is. The conductive electrode 124 of this element and the gate of the insulated gate field effect transistor (the upper layer portion of the zigzag channel 123) are connected by the conductive wiring 125.

本発明による生体分子検出素子の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the biomolecule detection element by this invention. 本発明による生体分子検出素子を用いた生体分子測定装置を示すブロック図。The block diagram which shows the biomolecule measuring apparatus using the biomolecule detection element by this invention. 本発明による信号処理方法を示すブロック図。The block diagram which shows the signal processing method by this invention. 本発明による絶縁ゲート電界効果トランジスタの電気特性の測定結果を示す図。The figure which shows the measurement result of the electrical property of the insulated gate field effect transistor by this invention. 本発明による絶縁ゲート電界効果トランジスタの電気特性の測定方法を示す図。The figure which shows the measuring method of the electrical property of the insulated gate field effect transistor by this invention. 本発明による絶縁ゲート電界効果トランジスタのドレイン電流値をゲート電圧値に変換する方法を示す図。The figure which shows the method of converting the drain current value of the insulated gate field effect transistor by this invention into a gate voltage value. 本発明による生体分子検出素子を用いた生体分子測定方法を示すフローチャート。The flowchart which shows the biomolecule measuring method using the biomolecule detection element by this invention. 式(10)の関係を示す図。The figure which shows the relationship of Formula (10). 本発明による絶縁ゲート電界効果トランジスタの構造例を示す図であり、(a)は平面図、(b)は断面図。It is a figure which shows the structural example of the insulated gate field effect transistor by this invention, (a) is a top view, (b) is sectional drawing. (a)は参照電極に交流電圧を印加した際の各周波数でのドレイン電流値を示す図であり、(b)は(a)中の点線円中の拡大図。(A) is a figure which shows the drain current value in each frequency at the time of applying an alternating voltage to a reference electrode, (b) is an enlarged view in the dotted-line circle in (a). 絶縁ゲート電界効果トランジスタの電気容量の周波数依存性の測定結果を示す図であり、(a)は単体(すなわち、空気中)の測定結果、(b)は溶液中の測定結果を示す図。It is a figure which shows the measurement result of the frequency dependence of the electric capacity of an insulated gate field effect transistor, (a) is a single-piece | unit (namely, in the air) measurement result, (b) is a figure which shows the measurement result in a solution. 測定開始からドレイン電流が安定するまでの経時変化を示す図であり、(a)は正電位印加時の図、(b)は負電位印加時の図。It is a figure which shows a time-dependent change until a drain current is stabilized after a measurement start, (a) is a figure at the time of positive potential application, (b) is a figure at the time of negative potential application. 測定開始からドレイン電流が安定するまでの時間と周波数の関係を示す図。The figure which shows the relationship between time and frequency until a drain current is stabilized after a measurement start. アルカンチオールを用いた金表面の電荷状態制御法を示す図。The figure which shows the charge state control method of the gold | metal | money surface using alkanethiol. 生体分子検出素子による表面の電荷の違いを検出した一例を示す図。The figure which shows an example which detected the difference in the electric charge of the surface by a biomolecule detection element. 試料溶液導入後のドレイン電流値の経時変化の周波数依存性を示す図。The figure which shows the frequency dependence of the time-dependent change of the drain current value after sample solution introduction. 試料溶液導入後のドレイン電流値の経時変化の試料溶液濃度依存性を示す図。The figure which shows the sample solution density | concentration dependence of the time-dependent change of the drain current value after sample solution introduction. 生体分子検出プローブにアプタマーDNAを用いて、プローブに対するトロンビンの結合過程を測定した例を示す図。The figure which shows the example which measured the binding process of the thrombin with respect to a probe using aptamer DNA for a biomolecule detection probe. 本発明による生体分子検出素子の他の構成例を示す図。The figure which shows the other structural example of the biomolecule detection element by this invention. 本発明による生体分子検出素子の他の構成例を示す図。The figure which shows the other structural example of the biomolecule detection element by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1,51,52,81,101…絶縁ゲート電界効果トランジスタ、2,82,102…ソース、3,83,103…ドレイン、4,84,104…ゲート絶縁物、5,85,105…導電性電極、6…生体分子検出用プローブ、7…参照電極、8…測定セル、9…測定溶液、10…電源、11…試料注入器、12…試料溶液、13…試料注入管、20,53…測定部、21…信号処理装置、22…データ処理装置、23…データ表示装置、41…入力信号、42…サンプリング装置、43…平均化装置、44…出力信号、54…比較部、55…フィードバック回路、86…絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート、87…導電性配線、91,94…アルカンチオール、92,95…金電極、93…正電荷、96…負電荷、106,107…直流電源   1, 51, 52, 81, 101 ... insulated gate field effect transistor, 2, 82, 102 ... source, 3, 83, 103 ... drain, 4, 84, 104 ... gate insulator, 5, 85, 105 ... conductive Electrode, 6 ... probe for biomolecule detection, 7 ... reference electrode, 8 ... measurement cell, 9 ... measurement solution, 10 ... power source, 11 ... sample injector, 12 ... sample solution, 13 ... sample injection tube, 20, 53 ... Measuring unit, 21 ... signal processing device, 22 ... data processing device, 23 ... data display device, 41 ... input signal, 42 ... sampling device, 43 ... averaging device, 44 ... output signal, 54 ... comparison unit, 55 ... feedback Circuit 86 86 Gate of insulated gate field effect transistor 87 Conductive wiring 91 94 94 Alkanethiol 92 95 Gold electrode 93 Positive charge 96 Negative charge 106 107 DC power supply

Claims (20)

測定溶液と接触し試料と反応する物質が表面に設けられた導電性電極を有する電界効果型トランジスタと、
前記測定溶液と接触する参照電極と、
前記導電性電極と前記参照電極との間に交流電圧を印加する手段と、
前記電界効果型トランジスタの出力を2回以上計測し差分を計算する手段とを備えることを特徴とする測定装置。
A field effect transistor having a conductive electrode provided on the surface with a substance that contacts the measurement solution and reacts with the sample;
A reference electrode in contact with the measurement solution;
Means for applying an alternating voltage between the conductive electrode and the reference electrode;
And a means for measuring the output of the field effect transistor twice or more and calculating a difference.
請求項1記載の測定装置において、前記測定溶液に試料溶液を注入する手段を備えることを特徴とする測定装置。   2. The measuring apparatus according to claim 1, further comprising means for injecting a sample solution into the measuring solution. 請求項2記載の測定装置において、前記試料溶液は生体分子、基質、核酸又はタンパク質を含有することを特徴とする測定装置。   3. The measuring apparatus according to claim 2, wherein the sample solution contains a biomolecule, a substrate, a nucleic acid, or a protein. 請求項2記載の測定装置において、前記電界効果型トランジスタの出力の計測は、前記試料溶液注入の前後で行うことを特徴とする測定装置。   3. The measuring apparatus according to claim 2, wherein the output of the field effect transistor is measured before and after the sample solution injection. 請求項1記載の測定装置において、前記電界効果型トランジスタの出力が安定していることを判断する手段を備えることを特徴とする測定装置。   2. The measuring apparatus according to claim 1, further comprising means for determining that the output of the field effect transistor is stable. 請求項5記載の測定装置において、前記電界効果型トランジスタの出力が安定していることを判断する手段は、前記試料溶液注入後の経過時間t、前記試料溶液注入後の前記電界効果型トランジスタの出力の変化値Δx、前記電界効果型トランジスタの出力の時間微分値s、0.4以下の基準値rの間でst/Δx<rが成り立つか否かによって判断することを特徴とする測定装置。   6. The measuring apparatus according to claim 5, wherein means for determining that the output of the field effect transistor is stable is an elapsed time t after the sample solution injection, and the field effect transistor after the sample solution injection. A measuring apparatus that makes a judgment based on whether or not st / Δx <r is established among an output change value Δx, a time differential value s of an output of the field effect transistor, and a reference value r of 0.4 or less. 請求項1記載の測定装置において、前記交流電圧の周波数を用いて出力を平均化する手段を備えることを特徴とする測定装置。   2. The measuring apparatus according to claim 1, further comprising means for averaging the output using the frequency of the AC voltage. 請求項7記載の測定装置において、前記出力を平均化する手段は、交流電圧の周波数f、サンプリング周波数fs、平均化回数n、任意の自然数m,lの間で、nf=mfsかつf/fs≠lの関係式が成り立つようにサンプリングと平均化を行う手段を備えることを特徴とする測定装置。 8. The measuring apparatus according to claim 7, wherein the means for averaging the output includes a frequency f of an AC voltage, a sampling frequency f s , an averaging count n, and any natural numbers m and l, nf = mf s and f A measuring apparatus comprising means for sampling and averaging so that a relational expression of / f s ≠ l holds. 請求項1記載の測定装置において、前記導電性電極は前記電界効果型トランジスタのゲートと導電性配線で接続されていることを特徴とする測定装置。   2. The measuring apparatus according to claim 1, wherein the conductive electrode is connected to a gate of the field effect transistor by a conductive wiring. 請求項1記載の測定装置において、前記交流電圧の周波数は10kHz以上であることを特徴とする測定装置。   2. The measuring apparatus according to claim 1, wherein the frequency of the AC voltage is 10 kHz or more. 請求項1記載の測定装置において、前記導電性電極は金からなることを特徴とする測定装置。   The measuring apparatus according to claim 1, wherein the conductive electrode is made of gold. 請求項1記載の測定装置において、前記電界効果型トランジスタは、ソースをドレインに電気的に結合するチャネルの形状がジグザグ形状をしていることを特徴とする測定装置。   2. The measuring apparatus according to claim 1, wherein the field effect transistor has a zigzag shape in a channel for electrically coupling a source to a drain. 請求項1記載の測定装置において、前記参照電極は前記電界効果型トランジスタと同じ基板上に形成されていることを特徴とする測定装置。   The measuring apparatus according to claim 1, wherein the reference electrode is formed on the same substrate as the field effect transistor. 請求項1記載の測定装置において、前記導電性電極表面に生体分子検出プローブが固定化されていることを特徴とする装置。   2. The apparatus according to claim 1, wherein a biomolecule detection probe is immobilized on the surface of the conductive electrode. 試料と反応する物質が表面に設けられた導電性電極を有する電界効果型トランジスタの前記導電性電極を測定溶液に接触させ、前記導電性電極と前記測定溶液に接触した参照電極との間に交流電圧を印加し、試料と前記導電性電極表面の前記物質との反応の前後で前記トランジスタの電気特性を計測し、反応の前の計測値と反応した後での計測値の差分を計算することを特徴とする測定方法。 The conductive electrode of a field effect transistor having a conductive electrode provided on the surface with a substance that reacts with a sample is brought into contact with a measurement solution, and an alternating current is generated between the conductive electrode and a reference electrode in contact with the measurement solution. Applying voltage, measuring the electrical characteristics of the transistor before and after the reaction between the sample and the substance on the surface of the conductive electrode, and calculating the difference between the measured value before the reaction and the measured value after the reaction Measuring method characterized by 請求項15記載の測定方法において、少なくとも反応前の前記トランジスタの電気特性を計測する前に、前記導電性電極と前記参照電極との間に1kHz以上の交流電圧を印加することを特徴とする測定方法。   16. The measurement method according to claim 15, wherein an AC voltage of 1 kHz or more is applied between the conductive electrode and the reference electrode before measuring at least electrical characteristics of the transistor before reaction. Method. 請求項15記載の測定方法において、少なくとも反応後の前記トランジスタの電気特性を計測する前に、前記導電性電極と前記測定溶液に接触した参照電極との間に10kHz以上の交流電圧を印加することを特徴とする測定方法。   16. The measurement method according to claim 15, wherein an AC voltage of 10 kHz or more is applied between the conductive electrode and a reference electrode in contact with the measurement solution before measuring at least electrical characteristics of the transistor after reaction. Measuring method characterized by 請求項15記載の測定方法において、前記導電性電極は生体分子検出プローブが表面固定化されていることを特徴とする測定方法。 16. The measurement method according to claim 15, wherein a biomolecule detection probe is immobilized on a surface of the conductive electrode. 請求項15記載の測定方法において、前記トランジスタの電気特性の計測を複数回行い、前記試料溶液注入後の経過時間t、前記試料溶液注入後の前記電界効果型トランジスタの出力の変化値Δx、前記電界効果型トランジスタの出力の時間微分値s、0.4以下の基準値rの間でst/Δx<rが成り立つときに測定した計測値を前記反応後の計測値とすることを特徴とする測定方法。   16. The measurement method according to claim 15, wherein the measurement of the electrical characteristics of the transistor is performed a plurality of times, the elapsed time t after the sample solution injection, the change value Δx of the output of the field effect transistor after the sample solution injection, A measurement method characterized in that a measured value measured when st / Δx <r is established between a time differential value s of an output of a field effect transistor and a reference value r of 0.4 or less, and the measured value after the reaction . 請求項17記載の測定方法において、交流電圧の周波数f、サンプリング周波数fs、平均化回数n、任意の自然数m,lの間で、nf=mfsかつf/fs≠lの関係式が成り立つように前記計測値のサンプリングと平均化を行うことを特徴とする測定方法。 18. The measurement method according to claim 17, wherein a relational expression of nf = mf s and f / f s ≠ l is set between the frequency f of the AC voltage, the sampling frequency f s , the number n of averaging, and the arbitrary natural numbers m and l. A measurement method comprising sampling and averaging the measurement values so as to hold.
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