JP4734234B2 - 生体分子に関する形態及び情報をis−fetを利用して検出する測定法およびシステム - Google Patents
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Description
Wei F.et al.,Biosensors and Bioelectronics 18(2003)1157−1163 KIM D−S.et al.,Jpn.J.Appl.Phys.Vol.42(2003)4111−4115 電気化学および工業物理化学Vol.50、No.1、pp64−71.(1982)
(1)生体分子と、非ケイ素酸化物とを含む、ゲート電極。
(2)上記非ケイ素酸化物は、酸化金属である、項目1に記載のゲート電極。
(3)上記非ケイ素酸化物は、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化カルシウム(CaO)、酸化鉛(PbO)、酸化ストロンチウム(SrO)、酸化トリウム(ThO2)、酸化アンチモン(Sb2O3)、一酸化チタン(TiO)、二酸化チタン(TiO2)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化イッテルビウム(Yb2O3)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化セリウム(CeO2)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ガドリニウム(Gd2O3)、酸化クロム(Cr2O3)、酸化タングステン(WO3)、酸化銅(I)(Cu2O)、酸化銅(II)(CuO)、酸化鉄(II)(FeO)、酸化鉄(III)(Fe2O3)、酸化ニッケル(NiO)、酸化ビスマス(Bi2O3)、酸化サマリウム(Sm2O3)、酸化ネオジム(Nd2O3)、酸化バナジウム(V2O5)、酸化モリブデン(MoO3)、酸化カドミウム(CdO2)、酸化マンガン(MnO2)、二酸化バリウム(BaO2)および一酸化バリウム(BaO)からなる群より選択される、項目1に記載のゲート電極。
(4)上記非ケイ素酸化物は、酸化タンタル(Ta2O5)、一酸化バリウム(BaO)、酸化ビスマス(Bi2O3)、酸化銅(II)(CuO)、酸化鉛(PbO)、酸化イッテルビウム(Yb2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ニオブ(Nb2O5)および酸化ハフニウム(HfO2)からなる群より選択される、項目1に記載のゲート電極。
(5)上記非ケイ素酸化物は、酸化タンタル(Ta2O5)である、項目1に記載のゲート電極。
(6)上記生体分子は、上記非ケイ素酸化物に固定される、項目2に記載のゲート電極。
(7)上記非ケイ素酸化物は膜状形態をしており、上記生体分子は、上記非ケイ素酸化物膜上に固定される、項目6に記載のゲート電極。
(8)上記非ケイ素酸化物と、上記生体分子とは、シランカップリング剤により結合される、項目1に記載のゲート電極。
(9)上記非ケイ素酸化物と、上記生体分子とは−O−(SiR1R2)−(CH2)n−NH(CH2)m−NH−O−(CH2)k−O−CH2−NH−というリンカーで結合され、ここで、n、mおよびkはそれぞれ独立して任意の正の整数であり、R1およびR2は、独立して、任意の置換基または上記リンカーと同じ構造を有する別のリンカーのSi原子である、項目8に記載のゲート電極。
(10)上記生体分子は、他の生体分子と特異的相互作用をする能力を有する、項目1に記載のゲート電極。
(11)上記生体分子は、核酸、タンパク質、糖、脂質およびそれらの複合体からなる群より選択される、項目1に記載のゲート電極。
(12)上記生体分子は、核酸を含む、項目1に記載のゲート電極。
(13)上記生体分子は、DNA、RNAおよびPNAからなる群より選択される少なくとも1つの分子を含む、項目1に記載のゲート電極。
(14)上記生体分子は、PNAを含む、項目1に記載のゲート電極。
(15)上記生体分子は、一本鎖または二本鎖の形態で存在する、項目1に記載のゲート電極。
(16)上記生体分子は、他の生体分子とハイブリダイゼーションする能力を有する、項目1に記載のゲート電極。
(17)上記生体分子は、リガンド−レセプター相互作用する能力または抗原抗体反応する能力を有する、項目1に記載のゲート電極。
(18)上記生体分子は、無電荷またはほとんど電荷がないことを特徴とする、項目1に記載のゲート電極。
(19)上記生体分子は、疾患または障害の診断のためのプローブである、項目1に記載のゲート電極。
(20)上記生体分子は、1塩基多型(SNPs)を検出するためのプローブである、項目1に記載のゲート電極。
(21)生体分子と、非ケイ素酸化物とを含むゲート電極が、半導体素子上に一体化された、電界効果トランジスタ。
(22)上記半導体素子は、基板と、ソース部と、ドレイン部とを含む、項目21に記載の電界効果トランジスタ。
(23)上記トランジスタは、pチャネル型またはnチャネル型であり、そして、エンハンスメント型またはディプリション型である、項目21に記載の電界効果トランジスタ。
(24)上記ソース部および上記ドレイン部は、絶縁体で覆われる、項目21に記載のトランジスタ。
(25)さらに、電極を備える、項目21に記載のトランジスタ。
(26)上記ソース部からの電流を引き出すソース引き出し電極、上記ドレイン部からの電流を引き出すドレイン引き出し電極、上記基板からの電流を引き出す基板引き出し電極、上記ゲート電極由来の電流を引き出すためのゲート引き出し電極をさらに備える、項目21に記載のトランジスタ。
(27)上記ゲート電極は、電解液に浸される、項目21に記載のトランジスタ。
(28)上記ゲート引き出し電極は、Ag/AgClを含む、項目21に記載のトランジスタ。
(29)上記基板は、Siを含む、項目21に記載のトランジスタ。
(30)上記ゲート電極は、項目2〜20のいずれか1項に記載の特徴をさらに有する、項目21に記載のトランジスタ。
(31)以下:
A)生体分子と、非ケイ素酸化物とを含むゲート電極が半導体素子上に一体化された、電界効果トランジスタと、
B)電気信号検出手段
とを備える、上記生体分子との相互作用を検出するためのセンサ。
(32)生体分子が固定された、非ケイ素酸化物を含むゲート電極を作製する方法であって、
A)非ケイ素酸化物を含むゲート電極を提供する工程;
B)上記非ケイ素酸化物にアミノシラン含有物質を結合させる工程;
C)上記アミノシラン含有物質と、上記アミノシラン含有物質のアミノ基と反応し得るクロスリンカーを結合させて中間体を形成工程;および
D)上記中間体に生体分子を結合させる工程、
を包含する、方法。
(33)上記アミノシラン含有物質は、ω’−アミノアルキルトリアルコキシシランを含む、項目32に記載の方法。
(34)上記アミノシラン含有物質は、3’−アミノプロピルトリエトキシシランを含む、項目32に記載の方法。
(35)上記結合の前に、上記酸化金属を酸処理する工程をさらに包含する、項目32に記載の方法。
(36)上記酸化金属は、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化カルシウム(CaO)、酸化鉛(PbO)、酸化ストロンチウム(SrO)、酸化トリウム(ThO2)、酸化アンチモン(Sb2O3)、一酸化チタン(TiO)、二酸化チタン(TiO2)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化イッテルビウム(Yb2O3)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化セリウム(CeO2)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ガドリニウム(Gd2O3)、酸化クロム(Cr2O3)、酸化タングステン(WO3)、酸化銅(I)(Cu2O)、酸化銅(II)(CuO)、酸化鉄(II)(FeO)、酸化鉄(III)(Fe2O3)、酸化ニッケル(NiO)、酸化ビスマス(Bi2O3)、酸化サマリウム(Sm2O3)、酸化ネオジム(Nd2O3)、酸化バナジウム(V2O5)、酸化モリブデン(MoO3)、酸化カドミウム(CdO2)、酸化マンガン(MnO2)、二酸化バリウム(BaO2)および一酸化バリウム(BaO)からなる群より選択される、項目32に記載の方法。
(37)上記クロスリンカーは、カルボジイミド類、アルデヒド類またはイミドエステル類を含む、項目32に記載の方法。
(38)上記クロスリンカーは、アルデヒド含有基を含む、項目32に記載の方法。
(39)上記クロスリンカーは、グルタルアルデヒドを含む、項目32に記載の方法。
(40)上記架橋において、紫外線照射が使用される、項目32に記載の方法。
(41)上記生体分子は、核酸を含む、項目32に記載の方法。
(42)上記生体分子は、DNAまたはPNAを含む、項目32に記載の方法。
(43)上記生体分子は、PNAを含む、項目32に記載の方法。
(44)還元する工程をさらに包含する、項目32に記載の方法。
(45)上記還元は、NaCNBH3を用いて行われる、項目44に記載の方法。
(46)生体分子との相互作用を検出するための方法であって、
A)上記生体分子と、非ケイ素酸化物とを含む、ゲート電極が半導体素子上に一体化された、電界効果トランジスタを提供し、電流−電圧(I−V)特性を測定する工程;
B)上記電界効果トランジスタと、相互作用が生じるに十分な条件下でサンプルとを接触させる工程;
C)上記接触後に、上記電界効果トランジスタのI−V特性を測定する工程;および
D)上記接触前のI−V特性と、上記接触後のI−V特性とを比較して、上記I−V特性同士の相違から上記生体分子との上記相互作用を算出する工程、
を包含する、方法。
(47)上記I−V特性は、静特性飽和電流値または伝達特性閾値電圧を含む、項目46に記載の方法。
(48)上記生体分子は、核酸を含み、上記サンプルは、核酸と相互作用する分子を含む、項目46に記載の方法。
(49)上記生体分子は、PNAを含み、上記サンプルは、核酸を含む、項目46に記載の方法。
(50)上記生体分子は、核酸を含み、上記サンプルは、核酸と相互作用する分子を含み、上記電界効果トランジスタはp型トランジスタであり、上記I−V特性の静特性飽和電流値の減少または伝達特性閾値電圧の正シフトは、上記核酸と上記核酸と相互作用する分子とがハイブリダイゼーションしたことを示す、項目46に記載の方法。
(51)上記検出は、遺伝子状態の異常またはそれに起因する疾患もしくは障害を検出することを目的とする、項目46に記載の方法。
(52)A)生体分子と、非ケイ素酸化物とを含むゲート電極が半導体素子上に一体化された、電界効果トランジスタと、
B)上記電界効果トランジスタが露出するように配置された、サンプルを収容するための容器と、
C)上記電界効果トランジスタと電気的に結合する電気信号検出手段と、
D)上記電気信号検出手段と電気的に結合する電流−電圧(I−V)特性を算出する手段、
とを備える、生体分子との相互作用を検出するためのシステム。
(53)さらに、I−V特性に基づいて、上記生体分子との上記相互作用を算出する手段を備える、項目52に記載のシステム。
(54)上記検出は、遺伝子状態の異常またはそれに起因する疾患もしくは障害を検出することを目的とし、上記相互作用と、上記遺伝子状態とを相関付けるための手段を備える、項目52に記載のシステム。
配列番号2は、実施例1で作製した15マー合成DNA
配列番号3は、実施例1で使用した、検出対象となる、標的DNA
以下に本明細書において特に使用される用語の定義を列挙する。
Tm(℃)=81.5+16.6(log[Na+])+0.41(%G+C)−600/N−0.72(%ホルムアミド)
ここで、Nは、形成される二重鎖の長さであり、[Na+]は、ハイブリダイゼーション溶液または洗浄溶液中のナトリウムイオンのモル濃度であり、%G+Cは、ハイブリッド中の(グアニン+シトシン)塩基のパーセンテージである。不完全に一致したハイブリッドに関して、融解温度は、各1%不一致(ミスマッチ)に対して約1℃ずつ減少する。
Tm=(1つのA−T塩基につき2℃)+(1つのG−C塩基対につき4℃)
によって提供される。なお、6×クエン酸ナトリウム塩(SSC)におけるナトリウムイオン濃度は、1Mである(Suggsら、Developmental Biology Using Purified Genes、683頁、Brown andFox(編)(1981)を参照のこと)。PNAを使用した場合は、例えば、図4に記載される相互関係を参照しながら決定することができる。
(2) BLASTNでヌクレオチドのクエリー配列をヌクレオチド配列データベースと比較;
(3) BLASTXでヌクレオチドのクエリー配列(両方の鎖)を6つの読み枠で変換した概念的翻訳産物をタンパク質配列データベースと比較;
(4) TBLASTNでタンパク質のクエリー配列を6つの読み枠(両方の鎖)すべてで変換したヌクレオチド配列データベースと比較;
(5) TBLASTXでヌクレオチドのクエリ配列を6つの読み枠で変換したものを、6つの読み枠で変換したヌクレオチド配列データベースと比較。
塩基
記号 意味
a アデニン
g グアニン
c シトシン
t チミン
u ウラシル
r グアニン又はアデニンプリン
y チミン/ウラシル又はシトシンピリミジン
m アデニン又はシトシンアミノ基
k グアニン又はチミン/ウラシルケト基
s グアニン又はシトシン
w アデニン又はチミン/ウラシル
b グアニン又はシトシン又はチミン/ウラシル
d アデニン又はグアニン又はチミン/ウラシル
h アデニン又はシトシン又はチミン/ウラシル
v アデニン又はグアニン又はシトシン
n アデニン又はグアニン又はシトシン又はチミン/ウラシル、不明、または他の塩基
3文字記号 1文字記号 意味
Ala A アラニン
Cys C システイン
Asp D アスパラギン酸
Glu E グルタミン酸
Phe F フェニルアラニン
Gly G グリシン
His H ヒスチジン
Ile I イソロイシン
Lys K リジン
Leu L ロイシン
Met M メチオニン
Asn N アスパラギン
Pro P プロリン
Gln Q グルタミン
Arg R アルギニン
Ser S セリン
Thr T トレオニン
Val V バリン
Trp W トリプトファン
Tyr Y チロシン
Asx アスパラギン又はアスパラギン酸
Glx グルタミン又はグルタミン酸
Xaa 不明又は他のアミノ酸。
本明細書において「非ケイ素酸化物」とは、絶縁体(または誘電体)として用いられ得る、ケイ素酸化物以外の物質を指す。代表的には、ケイ素酸化物以外の酸化物が挙げられるがそれらに限定されない。好ましい非ケイ素酸化物には、酸化金属を上げることができるがそれに限定されない。
電界効果トランジスタ(Field effect transistor、FET)とは、ゲート電極に電圧をかけ、チャネルの電界により電子または正孔の流れに関門(ゲート)を設ける原理で、ソース端子(電極)とドレイン端子(電極)との間の電流を制御するトランジスタである。一種類のキャリアしか用いないことから、ユニポーラトランジスタとも呼ばれる。ソース、ゲート、およびドレインを端子または電極と呼ぶ。便宜的にソースとドレインとを区別しているが、構造上電流の向きは双方向通過可能である。トランジスタにP型とN型があるように、FETにもpチャネルおよびnチャネルのものがある。例えば、半導体にシリコンが使われている場合は、ホウ素をドープすることでp型半導体に、リンをドープすることでn型半導体になる。
このID値で最大となるVD=VG・VTの点がピンチオフとなる飽和ドレイン電流値となる。
ここで、μe:キャリア濃度、Ci:絶縁体容量、VG:ゲート電圧、VT:閾値点圧(ドレイン電流が流れ始める電圧)である。
という式で算出する。この電流値の減少は、p型トランジスタの場合、負の物質がゲート電極に相互作用していることを示す。
本明細書では、
VG=√(2IDSL/μeCiW)+VT
ここで、μe:キャリア濃度、Ci:絶縁体容量、VT:閾値点圧(ドレイン電流が流れ始める電圧)
という式で算出する。
(検出)
本発明の方法では、生体分子の情報またはそれに相互作用する物質に起因する情報を検出することができる限り、種々の検出方法および検出手段を用いることができる。本発明では、生体分子の他の分子との相互作用を電気信号に変換することから、検出方法および検出手段としては、電気信号を検出することができる限り、どのような技術を用いてもよいことが理解される。本発明における検出は、IS−FETのソース−ドレイン電極間、またはゲートに電圧を印加し、ソース・ドレイン間に流れる電流を測定することによって検出を行うことができる。
本明細書において「表示」、「ディスプレイ」および「提示」とは、交換可能に用いられ、ある信号を感覚器官(例えば、視覚、聴覚、嗅覚など)によって知覚されるように変換して表現することをいう。代表的には、視覚的に表示することが挙げられ、ディスプレイとは、特に限定的な意味で用いる場合、視覚的に信号を表示する手段をさす。従って、「表示」、「ディスプレイ」および「提示」とは、本発明の方法に従って得られた電気信号またはそれから作製した生体分子に関する情報を直接または間接的にあるいは情報処理をした形態で具現化することをいう。そのような表示の形態としては、グラフ、写真、表、アニメーションなど種々の方法があるが、それらに限定されない。
本明細書において「スクリーニング」とは、目的とするある特定の性質をもつ生物または物質などの標的を、特定の操作/評価方法で多数を含む集団の中から選抜することをいう。スクリーニングのために、本発明の方法またはシステムを使用することができる。本発明では、相互作用に関する情報に基づいてスクリーニングを行うことができる。
本明細書において「診断」とは、被検体における疾患、障害、状態などに関連する種々の指標を同定し、そのような疾患、障害、状態の現状を判定することをいう。本発明の方法、装置、システムを用いることによって、生体分子との相互作用を分析し、そのような情報を用いて、被検体における疾患、障害、状態、投与すべき処置または予防のための処方物または方法などの種々の指標を選定することができる。
以下に本発明の好ましい実施形態を説明する。以下に提供される実施形態は、本発明のよりよい理解のために提供されるものであり、本発明の範囲は以下の記載に限定されるべきでないことが理解される。従って、当業者は、本明細書中の記載を参酌して、本発明の範囲内で適宜改変を行うことができることは明らかである。
1つの局面において、本発明は、生体分子と、非ケイ素酸化物とを含む、ゲート電極を提供する。ここで、生体分子は、本明細書において上記されるように、生体に存在する物質の他、生体に存在する物質と相互作用する物質(例えば、人工DNA、PNAなど)を用いることができる。通常、生体分子としては、有機化合物が使用されることが理解される。生体分子と、非ケイ素酸化物とは、ゲート電極が形成されるように構成される限り、どのように配置されていても良い。好ましくは、非ケイ素酸化物上に結合される。
−O−(SiR1R2)−(CH2)n−NH(CH2)m−NH−O−(CH2)k−O−CH2−NH−
で示される。ここで、n、mおよびkはそれぞれ独立して任意の正の整数である。好ましくは、n、mおよびkは、独立して1〜6の整数、より好ましくは独立して1〜3の整数であり得る。ここで、R1およびR2は、独立して、任意の置換基または該リンカーと同じ構造を有する別のリンカーのSi原子であり得る。従って、別のリンカーである場合は、非ケイ素酸化物面上に層状に生体分子を結合させることができる。
1つの局面において、本発明は、生体分子と、非ケイ素酸化物とを含むゲート電極が、半導体素子上に一体化された、電界効果トランジスタを提供する。個々で使用されるゲート電極は、本明細書において上記(ゲート電極)において説明される任意の形態を用いることができる。
そのようなさらなる電極の例としては、例えば、ソース部からの電流を引き出すソース引き出し電極、ドレイン部からの電流を引き出すドレイン引き出し電極、基板からの電流を引き出す基板引き出し電極、ゲート電極由来の電流を引き出すためのゲート引き出し電極などを挙げることができる。
別の局面において、本発明は、以下:A)生体分子と、非ケイ素酸化物とを含むゲート電極が半導体素子上に一体化された、電界効果トランジスタと、B)電気信号検出手段とを備える、該生体分子との相互作用を検出するためのセンサを提供する。ここで、ゲート電極、電界効果トランジスタには、上述の(ゲート電極)および(トランジスタ)に記載される任意の形態を用いることができることが理解される。
別の局面において、本発明は、生体分子が固定された、非ケイ素酸化物を含むゲート電極を作製する方法であって、A)非ケイ素酸化物を含むゲート電極を提供する工程;B)該非ケイ素酸化物に無機材料と有機材料とを化学的に結合させるカップリング試薬(例えば、アミノシラン含有物質)を結合させる工程;C)該カップリング試薬と、該カップリング試薬と反応し得るクロスリンカー(例えば、カルボジイミド類、アルデヒド類、イミドエステル類、フェニレンイソチオシアネート類、エポキシシラン類、シランカップリング剤)を結合させて中間体を形成工程;およびD)該中間体に生体分子を結合させる工程、を包含する、方法を提供する。従来非ケイ素酸化物、特に酸化金属に、DNAのような生体分子を結合させることができるようになったことは、従来達成されていなかった。従来の技術では、ケイ素酸化物に生体分子を結合させて、電極を作製する試みがなされているが、そのようなゲート電極およびそのゲート電極を使用した半導体素子、システム、センサーなどを実現することができなかった。酸化金属のような非ケイ素酸化物を使用することで、ゲート電極の感度が格段に上昇することが知られている。本発明は、生体分子をゲート電極に結合させることによって、生体分子による高感度センサなどを作製することができるという利点も有する。本発明では、非ケイ素酸化物を含むゲート電極(好ましくは、ケイ素で作製される)を提供した後、そのゲート電極をアミノシラン含有物質(例えば、アミノプロピルトリエトキシシランなど)などを結合させた後に、生体分子をそのアミノシラン含有物質などに直接またはクロスリンカー(例えば、グルタルアルデヒドなど)を用いて間接的に結合させることによって、本発明のゲート電極を作製することができることが実証されたという点で評価されるべきである。
別の局面において、本発明は、生体分子との相互作用を検出するための方法であって、A)該生体分子と、非ケイ素酸化物とを含む、ゲート電極が半導体素子上に一体化された、電界効果トランジスタを提供し、電流−電圧(I−V)特性を測定する工程;B)該電界効果トランジスタと、相互作用が生じるに十分な条件下でサンプルとを接触させる工程;C)該接触後に、該電界効果トランジスタのI−V特性を測定する工程;およびD)該接触前のI−V特性と、該接触後のI−V特性とを比較して、該I−V特性同士の相違から該生体分子との該相互作用を算出する工程、を包含する、方法を提供する。
別の局面において、本発明は、A)生体分子と、非ケイ素酸化物とを含むゲート電極が半導体素子上に一体化された、電界効果トランジスタと、B)該電界効果トランジスタが露出するように配置された、サンプルを収容するための容器と、C)該電界効果トランジスタと電気的に結合する電気信号検出手段と、D)該電気信号検出手段と電気的に結合する電流−電圧(I−V)特性を算出する手段、とを備える、生体分子との相互作用を検出するためのシステムを提供する。このシステムにおいて使用されるゲート電極、電界効果トランジスタ、電気信号検出手段は、本明細書において「ゲート電極」、「電界効果トランジスタ」、「センサ」などにおいて詳述される任意の形態を用いることができることに留意すべきである。本発明では、IS−FETのソース−ドレイン電極間、またはゲートに電圧を印加し、ソース・ドレイン間に流れる電流を測定することによって検出を行うことが可能になる。ここで、サンプルを収容するための容器は、サンプルを収容することができ、電界効果トランジスタが露出することができるように配置される限り、どのような容器を用いることでも用いることができることが理解される。本発明において使用されるI−V特性の算出手段もまた、電気信号から電流値および電圧値を算出し、その関係を算出し、必要に応じて数学的処理を行うことができるような手段を用いることができる限りどのような手段を用いてもよい。通常、CPU、入力手段、出力手段、格納手段、表示手段などを備えたコンピュータを用いることができるがそれらに限定されない。
本発明の方法、ゲート電極、トランジスタおよびシステムは、例えば、診断、法医学、薬物探索(医薬品のスクリーニング)および開発、分子生物学的分析(例えば、アレイベースのヌクレオチド配列分析およびアレイベースの遺伝子配列分析)、タンパク質特性および機能の分析、薬理ゲノム学、プロテオミクス、環境調査ならびにさらなる生物学的および化学的な分析において使用され得る。
生体分子の代表例としてペプチド核酸分子と、電界効果トランジスタとを組み合わせた生体情報デバイスを作製し、遺伝子検出の可能性について評価した。作製した電界効果トランジスタの模式図を図1に示す。
以下にこの手順の詳細を示す。
3’−アミノプロピルトリエトキシシラン(APTESともいう)を信越化学(東京、日本)から購入した、25%グルタルアルデヒド、水素化シアノホウ素ナトリウム(NaBH3CN)、20×SSC、0.5M EDTA溶液およびリン酸緩衝液(pH7.0, 1/15M)は、和光純薬(大阪、日本)から購入した。
IS−FETゲート電極の表面処理を、以下の手順で行った。この処理は、洗浄、APTESグラフト処理、グルタルアルデヒドとのカップリング反応およびPNA固定から主に構成される。以下に詳細に説明する。その反応模式図は、図2Aに示す。図2Bのように、フェニレンジイソチオシアネートを用いてもよい。
アミノシラン化の処理前にIS−FETをHCl:メタノール(1:2)溶液に30分浸した。その後、滅菌脱イオン水でこのIS−FETを洗浄した。
上記処理したIS−FETを、95%アセトン/水中の1%APTES溶液中に浸した。このIS−FETは、アセトンで5回洗浄し、その後110℃で5分間乾燥させた。
上記処理したIS−FETを、5%グルタルアルデヒドリン酸緩衝液(pH7.0、1/15M)中に37℃で2時間浸した。ついで、このIS−FETを脱イオン水で洗浄した。
このIS−FETを、PNAプローブ溶液(5μM)中に37℃で12時間浸した。PNAプローブが固定されたこのIS−FETを、PNAと完全に相補的な配列を有する標的DNA(5μM)を含むハイブリダイゼーション緩衝液(300mM塩化ナトリウム、30mMクエン酸ナトリウム/1mM EDTA、これは、2×SSC/EDTA緩衝液という)に、60℃で12時間浸した。ハイブリダイゼーション反応後、このIS−FETを、2×SSC/EDTAで洗浄し、5分間浸して非特異的に結合したDNAを取り除いた。
I−V特性の測定は、KEITHLEY 4200(KEITHLEY Instruments, Inc. Cleveland, OH, USA)を用いて、室温でソース端子、ドレイン端子、ゲート端子を含む3つの端子を用いた半導体特徴づけシステムを用いて行った。その模式図を図3に示す。図3左には、本発明のIS−FETを用いたときの回路図を示す。右上には、使用したIS−FETの実物写真を示す。右中には、トランジスタの電流発生模式図を示す。右下には、シフトの算出模式図を示す。
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(結果)
図5上に、Id−Vg特性評価による伝達特性の結果を示す。図5下には、これを対数表示した結果およびId1/2/A1/2をプロットした結果を示す。ブランクのId−Vg特性評価による伝達特性の結果を図6に示す。伝達特性の結果、Vds=4Vにおいて閾値電圧が170mV正シフトすることが観察された。
次に、実施例1に記載される実験において、静特性飽和電流値を測定した。その結果であるId−Vd特性評価による静特性の結果を、図7に示す。電流値は、ssPNAおよびdsPNA/DNAの両方の実験結果を示す。
次に、DNAをプローブとして用いた場合の実験を行った。PNAの代わりにDNAを用いた以外は実施例1に記載されるように行った。
上記実施例によってDNAがTa2O5上に固定されているかどうかを、XPSによって測定した。シランカップリング剤の導入前後では、Si2pのピークに着目すると、導入前では、Ta2O5薄膜基板であるSi2pに起因するピークが見られた。導入後では、さらに、Si2pのピークが増加することから、Ta2O5上にシランカップリングによるSiが結合されたことが明らかになった。
次に、本発明の仕組みを活かして、DNAをあれ異常に配置して、IS−FET型DNAチップを作製する。その作製例は、図14に示す。
Claims (42)
- 生体分子と、二酸化ケイ素より誘電率の高い絶縁体である非ケイ素酸化物とを含む、ゲート電極であって、該生体分子は、PNAを含み、
該非ケイ素酸化物は、酸化タンタル(Ta2O5)であり、
該非ケイ素酸化物は、アミノシラン化合物による結合により該生体分子に固定される、ゲート電極。 - 前記非ケイ素酸化物は膜状形態をしている、請求項1に記載のゲート電極。
- 前記非ケイ素酸化物と、前記生体分子とは−O−(SiR1R2)−(CH2)n−NH(CH2)m−NH−O−(CH2)k−O−CH2−NH−というリンカーで結合され、ここで、n、mおよびkはそれぞれ独立して任意の正の整数であり、R1およびR2は、独立して、任意の置換基または該リンカーと同じ構造を有する別のリンカーのSi原子である、請求項1に記載のゲート電極。
- 前記生体分子は、他の生体分子と特異的相互作用をする能力を有する、請求項1に記載のゲート電極。
- 前記生体分子は、一本鎖または二本鎖の形態で存在する、請求項1に記載のゲート電極。
- 前記生体分子は、ストリンジェントなハイブリダイゼーション条件下で他の生体分子とハイブリダイゼーションする能力を有する、請求項1に記載のゲート電極。
- 前記生体分子は、無電荷またはほとんど電荷がないことを特徴とする、請求項1に記載のゲート電極。
- 前記生体分子は、疾患または障害の診断のためのプローブである、請求項1に記載のゲート電極。
- 前記生体分子は、1塩基多型(SNPs)を検出するためのプローブである、請求項1に記載のゲート電極。
- 生体分子と、二酸化ケイ素より誘電率の高い絶縁体である非ケイ素酸化物とを含むゲート電極が、半導体素子上に一体化された、電界効果トランジスタであって、
該生体分子は、PNAを含み、
該非ケイ素酸化物は、酸化タンタル(Ta2O5)であり、
該非ケイ素酸化物は、アミノシラン化合物による結合により該生体分子に固定される
電界効果トランジスタ。 - 前記半導体素子は、基板と、ソース部と、ドレイン部とを含む、請求項10に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記トランジスタは、pチャネル型またはnチャネル型であり、そして、エンハンスメント型またはディプリション型である、請求項10に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記ソース部および前記ドレイン部は、絶縁体で覆われる、請求項11に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記ソース部からの電流を引き出すソース引き出し電極、前記ドレイン部からの電流を引き出すドレイン引き出し電極、前記基板からの電流を引き出す基板引き出し電極、前記ゲート電極由来の電流を引き出すためのゲート引き出し電極をさらに備える、請求項11に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記ゲート電極は、電解液に浸される、請求項10に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記ゲート引き出し電極は、Ag/AgClを含む、請求項14に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記基板は、Siを含む、請求項11に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記非ケイ素酸化物は膜状形態をしている、請求項10に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記非ケイ素酸化物と、前記生体分子とは−O−(SiR 1 R 2 )−(CH 2 ) n −NH(CH 2 ) m −NH−O−(CH 2 ) k −O−CH 2 −NH−というリンカーで結合され、ここで、n、mおよびkはそれぞれ独立して任意の正の整数であり、R 1 およびR 2 は、独立して、任意の置換基または該リンカーと同じ構造を有する別のリンカーのSi原子である、請求項10に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記生体分子は、他の生体分子と特異的相互作用をする能力を有する、請求項10に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記生体分子は、一本鎖または二本鎖の形態で存在する、請求項10に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記生体分子は、ストリンジェントなハイブリダイゼーション条件下で他の生体分子とハイブリダイゼーションする能力を有する、請求項10に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記生体分子は、無電荷またはほとんど電荷がないことを特徴とする、請求項10に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記生体分子は、疾患または障害の診断のためのプローブである、請求項10に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記生体分子は、1塩基多型(SNPs)を検出するためのプローブである、請求項10に記載の電界効果トランジスタ。
- 以下:
A)請求項10〜25のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタと、
B)電気信号検出手段
とを備える、該生体分子との相互作用を検出するためのセンサ。 - 生体分子が固定された、非ケイ素酸化物を含むゲート電極を作製する方法であって、該生体分子は、PNAを含み、該非ケイ素酸化物は、酸化タンタル(Ta2O5)であり、該方法は:
A)非ケイ素酸化物を含むゲート電極を提供する工程;
B)該非ケイ素酸化物にアミノシラン含有物質を結合させる工程;
C)該アミノシラン含有物質と、該アミノシラン含有物質のアミノ基と反応し得るクロスリンカーを結合させて中間体を形成工程;および
D)該中間体に生体分子を結合させる工程、
を包含する、方法。 - 前記アミノシラン含有物質は、ω’−アミノアルキルトリアルコキシシランを含む、請求項27に記載の方法。
- 前記アミノシラン含有物質は、3’−アミノプロピルトリエトキシシランを含む、請求項27に記載の方法。
- 前記アミノシラン含有物質を結合させる前に、前記酸化タンタル(Ta2O5)を酸処理する工程をさらに包含する、請求項27に記載の方法。
- 前記クロスリンカーは、カルボジイミド類、アルデヒド類またはイミドエステル類を含む、請求項27に記載の方法。
- 前記クロスリンカーは、アルデヒド含有基を含む、請求項27に記載の方法。
- 前記クロスリンカーは、グルタルアルデヒドを含む、請求項27に記載の方法。
- 前記クロスリンカーの結合は、紫外線照射による架橋によって形成される、請求項27に記載の方法。
- 前記クロスリンカーを結合させることにより得られた中間体を還元する工程をさらに包含する、請求項27に記載の方法。
- 前記還元は、NaCNBH3を用いて行われる、請求項35に記載の方法。
- 生体分子との相互作用を検出するための方法であって、
A)該生体分子と、二酸化ケイ素より誘電率の高い絶縁体である非ケイ素酸化物とを含む、ゲート電極が半導体素子上に一体化された、電界効果トランジスタを提供し、電流−電圧(I−V)特性を測定する工程であって、該生体分子は、PNAを含み、該非ケイ素酸化物は、酸化タンタル(Ta2O5)であり、該非ケイ素酸化物は、アミノシラン化合物による結合により該生体分子に固定される、工程;
B)該電界効果トランジスタと、相互作用が生じるに十分な条件下でサンプルとを接触させる工程;
C)該接触後に、該電界効果トランジスタのI−V特性を測定する工程;および
D)該接触前のI−V特性と、該接触後のI−V特性とを比較して、該I−V特性同士の相違から該生体分子との該相互作用を算出する工程、
を包含する、方法。 - 前記I−V特性は、静特性飽和電流値または伝達特性閾値電圧を含む、請求項37に記載の方法。
- 前記検出は、遺伝子状態の異常またはそれに起因する疾患もしくは障害を検出することを目的とする、請求項37に記載の方法。
- A)生体分子と、二酸化ケイ素より誘電率の高い絶縁体である非ケイ素酸化物とを含むゲート電極が半導体素子上に一体化された、電界効果トランジスタであって、該生体分子は、PNAを含み、該非ケイ素酸化物は、酸化タンタル(Ta2O5)であり、該非ケイ素酸化物は、アミノシラン化合物による結合により該生体分子に固定される、電界効果トランジスタと、
B)該電界効果トランジスタが露出するように配置された、サンプルを収容するための容器と、
C)該電界効果トランジスタと電気的に結合する電気信号検出手段と、
D)該電気信号検出手段と電気的に結合する電流−電圧(I−V)特性を算出する手段とを備える、生体分子との相互作用を検出するためのシステム。 - さらに、I−V特性に基づいて、該生体分子との該相互作用を算出する手段を備える、請求項40に記載のシステム。
- 前記検出は、遺伝子状態の異常またはそれに起因する疾患もしくは障害を検出することを目的とし、前記相互作用と、該遺伝子状態とを相関付けるための手段を備える、請求項40に記載のシステム。
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