JP4775262B2 - センサユニット及び反応場セルユニット並びに分析装置 - Google Patents
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Description
本発明は上記の課題に鑑みて創案されたもので、従来よりも分析を行なう際の利便性を高めたセンサユニット、及びそれと共に用いる反応場セル並びにそれを用いた分析装置を提供することを目的とする。
2 フォトレジスト
3 触媒
4 CVD炉
5 カーボンナノチューブ(チャネル)
6 スペーサ層
7 流路
8 感知部
9 注入部
10 排出部
11 仕切壁
12 基板
13,18 絶縁層
14 ソース電極
15 ドレイン電極
16 SETチャネル
17 感知用ゲート(ゲート本体)
19,30 感知部
20 検出用感知ゲート
21 反応場
22 参照電極
23 電圧印加ゲート
24,32,33,36 トランジスタ部
25,34,37 反応場セルユニット
26,27 板状フレーム
28 スペーサ
29 流路
31 電極部
35,38 セルユニット装着部
100,200,300,400,500,600,700 分析装置
101,201,301,402,501,602,701 センサユニット
102,202,302,502,702 測定回路
103,203,303,401,503,601,703 トランジスタ部
104,204,304,504,704 集積検出デバイス
105,505 コネクタソケット
105A 装着部
105B 装着部(セルユニット装着部)
106,506 分離型集積電極
107,507 反応場セル
108,206,306,508,706 基板
109,509 検出デバイス部
110,207,307,510,707 低誘電層
111,208,308,511,708 ソース電極
112,209,309,512,709 ドレイン電極
113,210,310,513,710 チャネル
114,211,514,711 絶縁膜
115,515 感知用ゲート(ゲート本体)
116,516 電極部(感知部)
117,517 検出用感知ゲート
118,215,314,518,713 電圧印加ゲート
119,218,316,519,716 流路
120,216,313,520,714 絶縁体層
121,124,521,524 配線
122,522 基板
123.214,311 特定物質
125,217,315,525,715 基体
126,403,526,603 反応場セルユニット
205,305,705 反応場セル
212,712 検出用感知ゲート
213,312 感知部位
404,604 セルユニット装着部
527,717 参照電極
本発明の第1実施形態としてのセンサユニット(以下適宜、「第1のセンサユニット」という)は、基板と、基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルと、検出用感知ゲートとを備えたトランジスタ部を有する。このトランジスタ部は、トランジスタとして機能する部分であり、このトランジスタの出力特性の変化を検知することにより、本実施形態のセンサユニットは検出対象物質を検出するようになっている。また、トランジスタ部は、そのチャネルの具体的な構成により、電界効果トランジスタとして機能するものと、単一電子トランジスタとして機能するものとに区別できるが、第1のセンサユニットにおいてはいずれを用いても良い。なお、以下の説明において、トランジスタ部のことを適宜、単に「トランジスタ」というが、その場合、特に断らない限り、電界効果トランジスタ及び単一電子トランジスタのいずれとして機能するかは区別しない。
以下、第1のセンサユニットの構成要素について説明する。
(1.基板)
基板は、絶縁性を有する基板であれば任意の素材で形成された基板を用いることができるが、通常は、絶縁性基板、又は、絶縁された半導体基板を用いる。なお、本明細書において絶縁性という場合には、特に断らない限り電気絶縁性のことを指し、絶縁体という場合には、特に断らない限り電気絶縁体の事を指す。また、センサとして用いる場合、感度を高めるためには、絶縁性基板、或いは、表面を絶縁性基板を構成する素材(即ち、絶縁体)で被覆することにより絶縁した半導体基板であることが好ましい。これら、絶縁性基板や、絶縁体で被覆した半導体基板を用いた場合、他の方法で絶縁した半導体基板に比べ、誘電率が低いために浮遊容量を低減することができ、そのため、例えばバックゲート(基板に対してチャネルと反対側に設けられたゲート)を検出用感知ゲートとした場合に相互作用の感知感度を高めることができる。
さらに、基板の形状は任意であるが、通常は平板状に形成する。また、その寸法についても特に制限は無いが、基板の機械的強度を保つため100μm以上であることが好ましい。
ソース電極は、上記トランジスタのキャリアを供給できる電極であれば他に制限は無い。また、ドレイン電極は、上記トランジスタのキャリアを受け取ることができる電極であれば、他に制限は無く、公知のものを任意に用いることができる。ただし、ソース電極及びドレイン電極は、通常は同一の基板上に設けられる。
ソース電極及びドレイン電極はそれぞれ任意の導体で形成することができ、具体例としては、金、白金、チタン、炭化チタン、タングステン、アルミニウム、モリブデン、クロムケイ化タングステン、窒化タングステン、多結晶シリコンなどが挙げられる。また、ソース電極、ドレイン電極を形成する導体は、1種を単独で用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
さらに、ソース電極及びドレイン電極の寸法や形状も任意である。
(3−1.チャネルの構成)
チャネルは、ソース電極及びドレイン電極の間の電流の通路となりうるものであり、公知のチャネルを適宜用いることができる。
また、チャネルの形状や寸法に制限は無く、任意である。ただし、チャネルは、基板から離隔した状態で上記のソース電極及びドレイン電極間に装架されていることが好ましい。これにより、感知用ゲートとチャネルとの間の誘電率を低下させることができ、感知用ゲートの電気容量を小さくすることができるため、センサユニットの感度を高めることができる。
さらに、チャネルの数も任意であり、1本でも、2本以上であってもよい。
以下、電界効果トランジスタのチャネル(以下適宜、「FETチャネル」という)と、単一電子トランジスタのチャネル(以下適宜、「SETチャネル」という)とについて、それぞれ説明する。なお、FETチャネルとSETチャネルとを区別しないで指す場合、単に「チャネル」という。また、上述のように電界効果トランジスタと単一電子トランジスタとはチャネルによって区別することができるため、FETチャネルを有するトランジスタは電界効果トランジスタであり、SETチャネルを有するトランジスタは単一電子トランジスタと認識すべきである。
ただし、センサユニットの感度を高めるためには、FETチャネルは微細なものであることが好ましい。一般に、トランジスタを用いたセンサの検出感度の限界は、トランジスタのゲートの電気容量(以下適宜、「ゲート容量」という)に関係している。ゲート容量が小さいほど、ゲートの表面電荷の変化を大きなゲート電圧の変化として捉えることができ、センサの検出感度が向上するのである。ゲート容量はチャネルの長さLとチャネルの幅Wとの積L×Wに比例するので、ゲート容量の減少にはチャネルの微細化が効果的である。微細なチャネルとしては、例えば、ナノチューブ構造体を用いてチャネルを形成することが好ましい。
絶縁性部材としては、絶縁性の部材であれば任意の部材を用いることが可能であるが、具体例としては、フォトレジスト(感光性樹脂)、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド、テフロン(登録商標)などの高分子材料、アミノプロピルエトキシシランなどの自己組織化膜、PER−フルオロポリエーテル、フォンブリン(商品名)などのルブリカント、フラーレン類化合物、あるいは酸化シリコン、弗化ケイ酸塩ガラス、HSQ(Hydrogen Silsesquioxane)、MLQ(Methyl Lisesquioxane)、多孔質シリカ、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、弗化カルシウム、ダイヤモンド薄膜などの無機物質を用いることができる。また、これらは任意の種類及び比率で組み合わせて用いてもよい。
チャネルの作製方法に特に制限は無く、上述したチャネルを作製することができれば、任意の方法によるチャネルを作製することができる。
ここでは、チャネルとしてカーボンナノチューブを用いる場合のチャネルの作製方法の一例を挙げて、チャネルの作製方法について説明する。
図1(a)〜図1(d)は、カーボンナノチューブを用いたチャネルの作製方法の各工程における操作を説明するための図である。
工程(2):金属の触媒を蒸着する。{図1(b)}
工程(3):リフトオフを行ない、触媒のパターンを形成する。{図1(c)}
工程(4):原料ガスを流して、カーボンナノチューブを形成する。{図1(d)}
以下、各工程について説明する。
通常は、その後、カーボンナノチューブ5の両端にオーミック電極等でソース電極及びドレイン電極を形成する。この際、ソース電極やドレイン電極はカーボンナノチューブ5の先端に取り付けてもよいし、側面に取り付けてもよい。また、ソース電極やドレイン電極の電極形成の際に、よりよい電気的接続を目的として、300℃〜1000℃の範囲の熱処理を行ってもよい。さらに、適当な位置に感知用ゲート、電圧印加ゲート、絶縁性部材、低誘電率層、高誘電率層などを設けて、トランジスタを作製する。
以上の作製方法により、FETチャネルを形成し、電界効果トランジスタを作製することができる。
また、トランジスタを集積する場合など、基板上に複数のトランジスタを集積する場合も、同様に、通常はフォトリソグラフィー法等を用いて、同一基板上に複数のソース電極、ドレイン電極用の触媒をパターニングし、カーボンナノチューブを成長することにより、トランジスタのアレイを作製することができる。
検出用感知ゲートは、ゲート本体である感知用ゲートと、感知部(相互作用感知部)とを有して構成されている。第1のセンサユニットでは、検出用感知ゲートの感知部で相互作用が生じた場合、感知用ゲートのゲート電圧が変化するようになっており、この感知用ゲートのゲート電圧に伴って生じるトランジスタの特性の変化を検出することにより検出対象物質の検出を行なうことができるようになっている。
感知用ゲート(即ち、ゲート本体)は、対応するソース電極及びドレイン電極と同一の基板に固定されたゲートである。この感知用ゲートは、トランジスタのチャネル内の荷電粒子の密度を制御するゲート電圧を印加できるものであれば他に制限は無い。通常、感知用ゲートはチャネル、ソース電極及びドレイン電極から絶縁された導体を有して構成され、一般的には導体および絶縁体から構成される。
また、上記導体の絶縁に用いる絶縁体も任意であり、その具体例としては、基板の材料として例示した絶縁体と同様のものが挙げられる。さらに、感知用ゲートの絶縁に用いる絶縁体についても、1種を単独で用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
なお、感知用ゲートの導体に代えて、又は導体と併用して、半導体を用いるようにしても良い。その際の半導体の種類は任意であり、また、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
さらに、感知用ゲートを配置する位置は、チャネルに対してゲート電圧を印加することができる位置であれば他に制限は無く、例えば基板の上方に配設してトップゲートとしてもよく、基板のチャネルと同じ側の面上に配設してサイドゲートとしてもよく、基板の裏面(チャネルと反対側の面)に配設してバックゲートとしてもよい。これにより、検出時の操作を簡単に行なうことができる。ただし、トップゲートとして感知用ゲートを形成すると、一般にチャネルとトップゲートとの距離はチャネルと他の位置のゲートとの距離に比べて近いため、センサユニットの感度を高めることができる。
さらに、感知用ゲートの数は任意であり、トランジスタに1つのみの感知用ゲートを設けても良く、2つ以上の感知用ゲートを設けてもよい。
本実施形態において感知部は、検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定され、基板とは離隔して形成された部材であり、検出対象物質と特定物質との相互作用が生じた場合に、その相互作用を電気信号(電荷の変化)として感知用ゲートに送ることができるように構成されている。ここで、検出対象物質とは、第1のセンサユニットを用いて検出しようとする対象であり、特定物質とは、検出対象物質と何らかの相互作用を選択的に生じる物質である。一つの感知部には、1種の特定物質を単独で固定しても良く、2種以上の特定物質を任意の組み合わせ及び比率で固定化してもよいが、通常は、一つの感知部に対しては1種の特定物質を単独で固定化する。なお、これらの検出対象物質、特定物質及び相互作用については、後で詳細に説明する。
さらに、感知部の形状及び寸法に制限は無く、その用途や目的に応じて任意に設定することができる。
第1のセンサユニットは、検出対象物質と特定物質との相互作用により生じるトランジスタの特性の変化を検出することにより、検出対象物質を検出する。このようなトランジスタの特性の変化が生じるには、通常、チャネルに電流を流すことになるが、そのためには、チャネルに対して電界を生じさせることになる。したがって、ゲートに電圧を印加し、そのゲート電圧によりチャネルに対して電界を生じさせることになる。
さらに、上記導体の絶縁に用いる絶縁体も任意であり、その具体例としては、感知用ゲートの材料として例示した絶縁体と同様のものが挙げられる。また、この絶縁体についても、1種を単独で用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
なお、電圧印加ゲートの導体に代えて、又は導体と併用して、半導体を用いるようにしても良い。その際の半導体の種類は任意であり、また、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
さらに、電圧印加ゲートを配置する位置は、チャネルに対してゲート電圧を印加することができる位置であれば他に制限は無く、例えば基板の上方に配設してトップゲートとしてもよく、基板のチャネルと同じ側の面上に配設してサイドゲートとしてもよく、基板の裏面に配設してバックゲートとしてもよい。これにより、検出をより簡単に行なうことができる。
また、電圧印加ゲートをトップゲート又はサイドゲートとして形成する場合には、チャネルの表面に絶縁膜を介してゲートを形成してもよい。ここでいう絶縁膜としては、感知用ゲートにおいて用いたのと同様のものを指す。
上述したトランジスタは、集積化されていることが好ましい。即ち、単一の基板に、ソース電極、ドレイン電極、チャネル、検出用感知ゲート、及び、適宜電圧印加ゲートが2以上設けられていることが好ましく、さらに、それらはできるだけ小型化されていることがより好ましい。ただし、検出用感知ゲートの構成要素のうち、感知部は、通常は基板とは別に形成されるため、基板上には少なくとも感知用ゲート(ゲート本体)が集積されていればよい。また、適宜、各トランジスタの構成部材はそれぞれ他のトランジスタの構成部材と共有されるように設けてもよく、例えば、検出用感知ゲートの感知部、及び、電圧印加ゲート等は、集積化されたトランジスタのうちの2以上に共有されるようにしてもよい。さらに、集積化するトランジスタは1種のもののみを集積化しても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用して集積化しても良い。
第1のセンサユニットにおいてトランジスタ部が集積されている場合や感知部が複数設けられている場合、即ち、感知用ゲート及び感知部の一方又は両方が2個以上設けられている場合には、第1のセンサユニットは、感知用ゲートと感知部との導通を切り替える電気接続切替部を備えていることが好ましい。これにより、センサユニットの小型化や、検出データの信頼性向上、検出の効率化などを図ることができる。なお、トランジスタを集積した場合には、同一のトランジスタ内の導通だけでなく、他のトランジスタとの間で上記の導通を切り替えるように構成しても良い。
さらに、感知用ゲート及び感知部がそれぞれ2以上対応して設けられている場合には、両者を組み合わせて、効率的な検出な検出を行なうことが可能となるほか、上記の効果も得ることができる。
本実施形態の反応場セルユニットは、検体を感知部に接触させる部材である。また、検体とは、センサユニットを用いて検出する対象となるものであり、その検体に検出対象物質が含有されている場合には、その検出対象物質と特定物質とが相互作用するようになっている。
さらに、反応場セルユニットに流路が形成されている場合には、感知部は、その流路に面して特定物質を固定化することが好ましい。これにより、流路に検体を流通させた際、検体に検出対象物質が含まれていれば確実に上記の相互作用を生じさせることができる。
流路の形状、寸法、本数等に特に制限は無いが、その検出の目的に応じて、適切な流路を形成することが望ましい。例えば、2以上の相互作用を感知する場合には、相互作用の感知に用いる試薬や反応生成物が他の相互作用の感知を阻害することを防止するため、各感知部を仕切る壁部を設けること等により、個々の感知部間において検体が混合しないよう流路を設けることができる。また、例えば、別種の検出対象物質を一度で分析する場合や、相互作用の感知に必要な試薬を個々の感知部に別々に導入する場合などには、検体を予め別々の流路に分離させることも可能である。
例えば、図4(a)に示すように、複数の流路7を並列に形成し、各流路7毎に、感知部8、流路7に流体を注入するための注入部9、及び、流路7から流体を排出するための排出部10を設けるようにしてもよい。流路形状をこのように形成すれば、各注入部9より別々の検体が流路7を介して各々の感知部8に流れ込み、検体に検出対象物質が含まれている場合はそこで相互作用が生じ、その後それぞれ別の排出口10より検体が排出される。したがって、それぞれ別々の検体を各注入部9に注入して各流路7に検体を流通させた場合には流路7毎にそれぞれ異なる検体の分析を行なうことができ、また、同じ検体を各注入部9に注入して各流路7に検体を流通させた場合でも、感知部8にそれぞれ異なる特定物質を固定していれば、感知部8毎に異なる相互作用を検出することができる。
(1.検出対象物質及び特定物質)
検出対象物質とは、本実施形態のセンサユニットが検出する対象となる物質である。検出対象物質については特に制限は無く、任意の物質を検出対象物質とすることができる。また、検出対象物質として、純物質以外のものを用いることも可能である。
また、検出対照物質の検出に必要な特定物質は、検出対象物と選択的に相互作用できるものであれば特に制限は無く、任意の物質を用いることができる。
また、これらの検出対象物質は、血液(全血、血漿、血清)、リンパ液、唾液、尿、大便、汗、粘液、涙、随液、鼻汁、頸部又は膣の分泌液、精液、胸膜液、羊水、腹水、中耳液、関節液、胃吸引液、組織・細胞等の抽出液や破砕液等の生体液を含むほとんど全ての液体試料中に含まれる成分として検出される。
また、核酸としては、特に制限はなく、DNAあるいはRNAも用いることができる。また、塩基配列あるいは機能が既知の核酸でも、未知の核酸でもよい。好ましくは、タンパク質に結合能力を有する核酸としての機能、及び塩基配列が既知のものか、あるいはゲノムライブラリー等から制限酵素等を用いて切断単離してきたものを用いることができる。
また、低分子化合物としては、相互作用する能力を有する限り、特に制限はない。機能が未知のものでも、あるいはタンパク質と結合もしくは反応する能力が既に知られているものでも用いることができる。
上記の通り、感知部上には数多くの特定物質を固定化でき、特定物質が固定化された感知部を用いれば、本実施形態のセンサユニットを、その特定物質と相互作用する物質(検出対象物質)を検出するバイオセンサーなどに好適に使用できる。この際、検出対象物質と特定物質との間で生じる相互作用に制限は無いが、例えば、検出対象物質と特定物質との反応のほか、pH、イオン、温度、圧力、誘電率、抵抗値、粘度等の外環境の変化などが挙げられる。これらは、例えば感知部に固定化される機能性物質等の特定物質が関与する応答や機能性物質が固定化されないゲートそのものの応答などとして感知可能であり、これらを用いることにより、例えば血液凝固能測定や血算測定などを行なうことができる。
感知部への特定物質の固定化方法としては、感知部に特定物質を固定することができる方法であれば特に制限は無く、任意である。例えば、感知部に直接物理吸着で結合させることも可能であるが、予め感知部上にアンカー部を有するフレキシブルスペーサーを介して結合させても良い。
以下、本実施形態のセンサユニットを用いた検出対象物質の検出方法の具体例を例示する。
例えば、本実施形態のセンサユニットを用いれば、タンパク質等の抗原を検出対象物質として検出することができる。この場合、例えば、当該抗原に対する抗体が固定化された感知部で抗原抗体反応を行なわせ、電気的シグナルの変化を測定することができる。また、当該抗原に対する抗体が固定化された感知部表面で抗原抗体反応を行なわせた後、酵素等による適切な標識を付された当該抗原特異性抗体(第2標識抗体)を導入し、最後にこの標識物に対する基質を導入して、この時生成及び/又は消費されるH2O2等の電気的活性種を検出対象物質として検出することにより、当該抗原の濃度を測定する。この時、各反応工程で反応に関与しない共雑物や余剰成分を洗浄することにより取り除いても良い。さらに、酵素反応と電極間の電子移動を仲介するために電子伝達物質(メディエータ)を介在してもよく、分析法に関しても抗原抗体反応を利用した免疫学的分析法において広く知られているサンドイッチ法や競合法、阻害法等に基づくものであって良い。
さらに、例えば、本実施形態のセンサユニットを用いれば、pHの測定を行なうことができる。このpHの測定では、水素イオンを検出対象物質として検出し、それによりpHを測定する。また、通常は、水素イオン選択性電極法を採用する。
α−ケトグルタル酸+アラニン→グルタミン酸+ピルビン酸(酵素:ALT)
ピルビン酸+H3PO4+O2→アセチルリン酸+酢酸+CO2+H2O2(酵素:ピルビン酸オキシダーゼ)
という反応を行わせ、生成された電気的活性種であるH2O2等を検出対象物質として検出し、ALTの濃度を測定することができる。また、ALTを検出対象物質として直接、免疫学的に検出することにより、ALTの濃度を測定するようにしても良い。さらに、抗ALT抗体を使用せず、予め上記の酵素反応を溶液中で行ない、この時生成される酵素反応産物を検出対象物質として検出するようにしても良い。
以下に、第1のセンサユニット、及び、それを用いた分析装置の一例の構成を示すが、本発明は以下の例に限定されるものではなく、例えば各構成要素の説明において上述したように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変形して実施することができる。
基板108上に集積化された検出デバイス部109は、図7(a),図7(b)に示すように、絶縁性の素材で形成された基板108上に、絶縁性で且つ低誘電率の材料で形成された低誘電層110を有し、その上に、導体(例えば、金)で形成されたソース電極111及びドレイン電極112を有している。ソース電極111及びドレイン電極112には、それぞれ測定回路102に通じる配線(図示省略)が接続されていて、この配線を通じ、後述するチャネル113を流れる電流が測定回路102で検出されるようになっている。さらに、ソース電極111及びドレイン電極112の間にはカーボンナノチューブで形成されたチャネル113が装架されている。
また、電極部116の表面には特定物質123が固定化されている。なお、図8においては説明のために特定物質123を視覚可能な大きさに描いたが、通常は、特定物質123は極小さいものであり、その具体的形状は視覚できないことが多い。
さらに、チャネル113と感知用ゲート115との間に、低誘電率の絶縁膜114が形成されているので、これにより、感知用ゲート115における相互作用による表面電荷の変化を、より効率的にチャネル113に伝達することができ、検出感度をより向上させることができる。
また、流路119を用いているために流れを用いて検出試験を行なうことが可能であるため、操作が簡単になるという利点も得られる。
さらに、検出用感知ゲート117を感知用ゲート115及び電極部116という複数の部材に電極分離したため、電極部(感知部)116から上側の反応場セルを、フローセル等のディスポタイプとして使用でき、これにより、センサユニット101や分析装置100の小型化も可能であるため、ユーザー側の使い勝手も向上する。
本発明の第2実施形態としてのセンサユニット(以下適宜、「第2のセンサユニット」という)は、基板と、基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルと、検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定された感知部位(相互作用感知部位)が形成された検出用感知ゲートとを備えたトランジスタ部を有し、上記検出対象物質を検出するためのセンサユニットである。また、第2のセンサユニットにおいては、トランジスタ部が2以上集積されている。
(1.基板)
第2のセンサユニットにおいて、基板は、第1実施形態で説明したのと同様のものである。
第2のセンサユニットにおいて、ソース電極及びドレイン電極は、第1実施形態で説明したのと同様のものである。
第2のセンサユニットにおいて、チャネルは、第1実施形態で説明したのと同様のものである。したがって、第1実施形態で説明したのと同様の構成のものを用いることができ、その作製方法についても同様のものを用いることができる。
第2のセンサユニットにおいて、検出用感知ゲートには、検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定された感知部位(相互作用感知部位)が形成されている。また、感知部位とは、検出用感知ゲート表面の特定物質が固定された部位のことを指す。
第2のセンサユニットでは、検出用感知ゲートの感知部位で特定物質と検出対象物質との相互作用が生じた場合、検出用感知ゲートの電位が変化するようになっており、この検出用感知ゲートのゲート電圧に伴って生じるトランジスタの特性の変化を検出することにより検出対象物質の検出を行なうことができるようになっている。
また、第2のセンサユニットを、第1センサユニットの感知用ゲートと同様に構成し、その感知用ゲートの表面に特定物質を固定化するようにしても良い。この場合、感知用ゲート表面の、特定物質が固定化された部位が、感知部位となる。
第2のセンサユニットにおいても、第1のセンサユニットと同様に、トランジスタ部は電圧印加ゲートを備えていてもよい。第2のセンサユニットのトランジスタ部に設けられる電圧印加ゲートは、第1のセンサユニットのトランジスタ部に設けられるものと同様である。
第2のセンサユニットにおいては、トランジスタ部は集積化されている。即ち、単一の基板に、ソース電極、ドレイン電極、チャネル、検出用感知ゲート、及び、適宜電圧印加ゲートが2以上設けられており、さらに、それらはできるだけ小型化されていることがより好ましい。なお、適宜、各トランジスタの構成部材はそれぞれ他のトランジスタの構成部材と共有されるように設けてもよく、例えば、検出用感知ゲートの感知部、及び、電圧印加ゲート等は、集積化されたトランジスタのうちの2以上に共有されるようにしてもよい。さらに、集積化するトランジスタは1種のもののみを集積化しても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用して集積化しても良い。
第2のセンサユニットの検出用感知ゲートを第1のセンサユニットと同様に構成した場合、第1のセンサユニットと同様に、第2のセンサユニットには電気接続切替部を設けることができる。この場合、第2のセンサユニットが備える電気接続切替部は、第1実施形態で説明したものと同様である。
第2のセンサユニットは、反応場セルを有していても良い。反応場セルとは、検体を感知部位に接触させる部材である。また、検体とは、センサユニットを用いて検出する対象となるものであり、その検体に検出対象物質が含有されている場合には、その検出対象物質と特定物質とは相互作用するようになっている。
第2のセンサユニットにおける検出対象物質、特定物質及び相互作用は、第1実施形態で説明したものと同様である。
また、感知部位に対して特定物質を固定化する方法は、感知部への特定物質の固定化方法として第1実施形態で説明したのと同様の方法を用いることができる。ただし、その場合、第1実施形態における固定化方法の説明において、感知部の代わりに感知部位に固定化するものとする。
また、本実施形態のセンサユニットにおいてカーボンナノチューブをチャネルに用いれば、非常に高感度な検出を実現することができ、このため、高感度の検出感度を必要とする免疫項目等とその他の電解質等を同一原理で一度に測定することにより、機能別、疾患別に一度に診断を行なうことができ、POCTの実現が可能となる。このほか、第1実施形態と同様の作用、効果が得られる。
以下に、第2のセンサユニット、及び、それを用いた分析装置の一例の構成を示すが、本発明は以下の例に限定されるものではなく、例えば各構成要素の説明において上述したように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変形して実施することができる。
この検出用感知ゲート212の図中上側表面全体には、特定物質214が固定化されている。したがって、検出用感知ゲート212の表面は、感知部位213として機能するようになっている。なお、図11(a),図11(b)においては説明のために特定物質214を視覚可能な大きさに描いたが、通常は、特定物質214は極小さいものであり、その具体的形状は視覚できないことが多い。
なお、この反応場セル205は通常は使い切り(使い捨て)とする。また、適宜、反応場セル205と集積検出デバイス204とは一体に形成しても良い。
さらに、流路218を用いているために流れを用いて検出試験を行なうことが可能であるため、操作が簡単になるという利点も得られる。
本発明の第3実施形態としてのセンサユニット(以下適宜、「第3のセンサユニット」という)は、基板と、基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備えたトランジスタ部を有し、さらに、チャネルに、検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定された感知部位(相互作用感知部位)が形成されている。また、第3のセンサユニットにおいては、トランジスタ部が2以上集積されている。
(1.基板)
第3のセンサユニットにおいて、基板は、第1,第2実施形態で説明したのと同様のものである。
第3のセンサユニットにおいて、ソース電極及びドレイン電極は、第1,第2実施形態で説明したのと同様のものである。
第3のセンサユニットにおいて、チャネルは、その表面に感知部位が形成されていること以外は、第1,第2実施形態で説明したのと同様のものである。
したがって、第3センサユニットのチャネルの構成は、第1,第2実施形態で説明したチャネルの表面に感知部位(相互作用感知部位)が形成された構成となっている。ここで、感知部位とは、チャネル表面の特定物質が固定された部位のことを指す。
したがって、本実施形態においてチャネルは上記第1,第2実施形態の検出用感知ゲートの機能を併せ持つようになっている。
第3のセンサユニットにおいても、第1,第2のセンサユニットと同様に、トランジスタ部は電圧印加ゲートを備えていてもよい。第3センサユニットのトランジスタ部に設けられる電圧印加ゲートは、第1,第2のセンサユニットのトランジスタ部に設けられるものと同様である。
第3のセンサユニットにおいては、トランジスタ部は集積化されている。即ち、単一の基板に、ソース電極、ドレイン電極、チャネル、及び、適宜電圧印加ゲートが2以上設けられており、さらに、それらはできるだけ小型化されていることがより好ましい。なお、適宜、各トランジスタの構成部材はそれぞれ他のトランジスタの構成部材と共有されるように設けてもよく、例えば、電圧印加ゲート等は、集積化されたトランジスタのうちの2以上に共有されるようにしてもよい。さらに、集積化するトランジスタは1種のもののみを集積化しても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用して集積化しても良い。
第3のセンサユニットは、反応場セルを有していても良い。本実施形態においても、反応場セルとしては、第2実施形態で説明したものと同様のものを用いることができる。
第3のセンサユニットにおける検出対象物質、特定物質及び相互作用は、第1,第2実施形態で説明したものと同様である。
また、感知部位に対して特定物質を固定化する方法は、感知部への特定物質の固定化方法として第1実施形態で説明したのと同様の方法を用いることができる。ただし、その場合、第1実施形態における固定化方法の説明において、感知部の代わりに感知部位に固定化するものとする。
また、本実施形態のセンサユニットにおいてカーボンナノチューブをチャネルに用いれば、非常に高感度な検出を実現することができ、このため、高感度の検出感度を必要とする免疫項目等とその他の電解質等を同一原理で一度に測定することにより、機能別、疾患別に一度に診断を行なうことができ、POCTの実現が可能となる。このほか、第1実施形態と同様の作用、効果が得られる。
以下に、第3のセンサユニット、及び、それを用いた分析装置の一例の構成を示すが、本発明は以下の例に限定されるものではなく、例えば各構成要素の説明において上述したように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変形して実施することができる。
なお、この反応場セル305は通常は使い切り(使い捨て)とする。また、適宜、反応場セル305と集積検出デバイス304とは一体に形成しても良い。
さらに、流路316を用いているために流れを用いて検出試験を行なうことが可能であるため、操作が簡単になるという利点も得られる。
本発明の第4実施形態としてのセンサユニット(以下適宜、「第4のセンサユニット」という)は、基板、基板に設けられたソース電極及びドレイン電極、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネル、並びに感知用ゲートを備えたトランジスタ部と、検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質が固定された感知部(相互作用感知部)を有する反応場セルユニットを装着するためのセルユニット装着部とを備える。さらに、上記反応場セルユニットがセルユニット装着部に装着されているときには、上記感知部と感知用ゲートとが導通状態となるように構成されている。
以下、第4のセンサユニット及び反応場セルユニットの構成要素について説明する。
[I.トランジスタ部]
(1.基板)
第4のセンサユニットにおいて、基板は、第1〜第3実施形態で説明したのと同様のものである。
第4のセンサユニットにおいて、ソース電極及びドレイン電極は、第1〜第3実施形態で説明したのと同様のものである。
第4のセンサユニットにおいて、チャネルは、第1,第2実施形態で説明したのと同様のものである。したがって、第1,第2実施形態で説明したのと同様の構成のものを用いることができ、その作製方法についても同様のものを用いることができる。
第4のセンサユニットにおいて、感知用ゲートは、第1実施形態で説明したのと同様のものである。したがって、感知用ゲートは、後述する反応場セルユニットが有する感知部とともに、検出用感知ゲートを構成するようになっている。即ち、第4のセンサユニットでは、反応場セルユニットの感知部で相互作用が生じた場合、感知用ゲートのゲート電圧が変化するようになっており、この感知用ゲートのゲート電圧に伴って生じるトランジスタの特性の変化を検出することにより検出対象物質の検出を行なうことができるようになっている。
セルユニット装着部は、後述する反応場セルユニットを装着するための部分である。反応場セルユニットを第4のセンサユニットに装着することができれば特に制限は無く、任意の形状、寸法に構成することができる。
また、セルユニット装着部には、反応場セルユニットを直接装着する以外にも、コネクタ等の他の接続部材を間に介して装着するようにしてもよい。即ち、反応場セルユニットを装着した場合に、感知用ゲートと反応場セルユニットが有する感知部とが導通状態となる限り、どのようにして装着するかは任意である。
第4のセンサユニットにおいても、第1〜第3のセンサユニットと同様に、トランジスタ部は電圧印加ゲートを備えていてもよい。第4のセンサユニットのトランジスタ部に設けられる電圧印加ゲートは、第1〜第3のセンサユニットのトランジスタ部に設けられるものと同様である。
第4のセンサユニットにおいては、トランジスタ部は集積化されていることが好ましい。即ち、単一の基板に、ソース電極、ドレイン電極、チャネル、感知用ゲート、及び、適宜電圧印加ゲートが2以上設けられることが好ましく、さらに、それらはできるだけ小型化されていることがより好ましい。なお、適宜、各トランジスタの構成部材はそれぞれ他のトランジスタの構成部材と共有されるように設けてもよく、例えば、電圧印加ゲート等は、集積化されたトランジスタのうちの2以上に共有されるようにしてもよい。さらに、集積化するトランジスタは1種のもののみを集積化しても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用して集積化しても良い。
第4のセンサユニットにおいて、トランジスタ部が集積されている場合や、セルユニット装着部に装着する反応場セルユニットが感知部を複数有している場合には、第4のセンサユニットは、第1のセルユニットと同様、感知用ゲートと感知部との導通を切り替える電気接続切替部を備えていることが好ましい。これにより、センサユニットの小型化や、検出データの信頼性向上、検出の効率化などを図ることができる。なお、トランジスタを集積した場合には、同一のトランジスタ内の導通だけでなく、他のトランジスタとの間で上記の導通を切り替えるように構成しても良い。
なお、第4のセンサユニットが有する電気接続切替部としては、第1のセンサユニットが有する電気接続切替部と同様のものを用いることができる。
反応場セルユニットは、上記の第4のセンサユニットのセルユニット装着部に装着される部材であって、検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質が固定された感知部(相互作用感知部)を有するものである。また、反応場セルユニットは、検体を感知部に接触させる部材である。さらに、上記セルユニット装着部に装着されているときには、感知部と上記感知用ゲートとは導通状態となるようになっている。なお、検体とは、センサユニットを用いて検出する対象となるものであり、その検体に検出対象物質が含有されている場合には、その検出対象物質と特定物質とは相互作用するようになっている。
本実施形態において感知部は、検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定され、基板とは離隔して反応場セルユニットに形成された部材であり、第1実施形態で説明したものと同様のものである。したがって、感知部の材料、個数、形状、寸法、感知用ゲートに対して導通をとる手段なども、第1実施形態で説明したのと同様である。さらに、感知部を2個以上設ける場合、1つの感知用ゲートに対して2つ以上の感知部を対応して設けることが好ましいことも同様である。
流路の形状、寸法、本数等に特に制限は無いが、その検出の目的に応じて、適当な流路を形成することが望ましい。流路の具体例としては、第1実施形態において説明したものと同様のものが挙げられる。さらに、流路を形成する部材や、流路の形成方法についても、第1実施形態で説明したものと同様である。
第4のセンサユニット及び反応場セルユニットにおける検出対象物質、特定物質及び相互作用は、第1〜第3実施形態で説明したものと同様である。
また、感知部位に対して特定物質を固定化する方法は、感知部への特定物質の固定化方法として第1実施形態で説明したのと同様の方法を用いることができる。
また、本実施形態のセンサユニットにおいてカーボンナノチューブをチャネルに用いれば、非常に高感度な検出を実現することができ、このため、高感度の検出感度を必要とする免疫項目等とその他の電解質等を同一原理で一度に測定することにより、機能別、疾患別に一度に診断を行なうことができ、POCTの実現が可能となる。このほか、第1実施形態と同様の作用、効果が得られ、また、同様に変形して実施することも可能である。
第4のセンサユニット及び反応場セルユニット、並びにそれを用いた分析装置の一例としては、第1実施形態で例示したものと同様の例が挙げられる。即ち、第1実施形態で図6〜図8を用いて例示した分析装置100において、基板108、低誘電層110、ソース電極111、ドレイン電極112、チャネル113、絶縁膜114、感知用ゲート115、電圧印加ゲート118及び絶縁体層120から構成される検出デバイス部109が本実施形態のトランジスタ部401として機能し、集積検出デバイス104及びコネクタソケット105で構成されるセンサユニット402が第4のセンサユニットとして機能し、分離型集積電極106と反応場セル107とから構成される反応場セルユニット403が本実施形態の反応場セルユニットとして機能する。また、コネクタソケット105の上部に設けられた装着部105Bは、反応場セルユニット403をセンサユニット402に装着する部分であり、セルユニット装着部404として機能する。したがって、これらのセンサユニット402及び反応場セルユニット403を有する分析装置100は、本実施形態の分析装置400として機能するものである。
さらに、反応場セルユニット403が分離可能、交換可能であるため、センサユニット402及び分析装置400の製造コストを安価にすることができ、さらに、使い切り可能にすることや検体がバイオ的汚染を防ぐことができる。
さらに、第1実施形態において説明したのと同様に、上記構成を、本発明の要旨の範囲内で任意に変形して実施することも可能である。
本発明の第5実施形態としてのセンサユニット(以下適宜、「第5のセンサユニット」という)は、基板と、基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルと、検出用感知ゲートとを備えたトランジスタ部を有する。さらに、第5のセンサユニットにおいて、検出用感知ゲートは、基板に固定されたゲート本体と、ゲート本体に対して電気的に導通をとりうる感知部とを備える。また、第5のセンサユニットは、検出対象物質の存在をトランジスタ部の特性の変化として検出すべく電圧を印加される参照電極とを備えて構成されている。
(1.基板)
第5のセンサユニットにおいて、基板は、第1〜第4実施形態で説明したのと同様のものである。
第5のセンサユニットにおいて、ソース電極及びドレイン電極は、第1〜第4実施形態で説明したのと同様のものである。
第5のセンサユニットにおいて、チャネルは、第1,第2,第4実施形態で説明したのと同様のものである。したがって、第1,第2,第4実施形態で説明したのと同様の構成のものを用いることができ、その作製方法についても同様のものを用いることができる。
検出用感知ゲートは、ゲート本体である感知用ゲートと、感知部とを有して構成されている。また、第5のセンサユニットでは、検出用感知ゲートの感知部が検出対象物質に起因する何らかの電気的な変化を感知した場合、感知用ゲートのゲート電圧が変化するようになっており、この感知用ゲートのゲート電圧の変化に伴って生じるトランジスタの特性の変化を検出することにより検出対象物質の検出を行なうことができるようになっている。
第5のセンサユニットにおいて、感知用ゲートは、第1,第4実施形態で説明したのと同様のものである。したがって、感知用ゲートは、後述する反応場セルユニットが有する感知部とともに、検出用感知ゲートを構成するようになっている。
本実施形態において感知部は、ソース電極及びドレイン電極が固定された基板とは別体に形成され、感知用ゲートに対して電気的に導通をとりうる部材である。そして、感知部は、検出対象物質に起因する何らかの電気的な変化を感知した場合、この電気的な変化を電気信号として感知用ゲートに送り、感知用ゲートのゲート電圧を変化させることができるようになっている。
参照電極は、検出対象物質の存在をトランジスタ部の特性の変化として検出すべく電圧を印加される電極である。詳しくは、感知部に対して電圧を印加する電極であり、このとき、検体を介して感知部に電圧を印加するように構成してもよい。さらに、参照電極は、基準電極として用いたり、検体の電圧を一定にするために用いたりすることもできる。なお、検体とは、センサユニットを用いて検出する対象となるものであり、その検体に検出対象物質が含有されている場合には、本実施形態のセンサユニットを用いて検出対象物質が検出されるようになっている。
また、感知部を2つ以上設ける場合には、1つの参照電極が2つ以上の感知部に対応するように構成してもよい。これにより、センサユニットの小型化を図ることができる。
参照電極が感知部に対して電圧または電界を印加できるようにセンサユニットを構成した場合、参照電極と感知部とを絶縁させ、参照電極が形成する電界内に検体がある状態で、感知部に電圧または電界を印加する。このとき、検体内の検出対象物質が何らかの変化(数、濃度、密度、相、状態等の変化など)を生じると、検出対象物質の変化に起因して検体部分の誘電率が変化し、このため感知用ゲートのゲート電位が変化する。このゲート電圧の変化に伴って生じるトランジスタの特性の変化を検出することにより検出対象物質の検出を行なうことができる。
第5のセンサユニットにおいては、トランジスタ部は電圧印加ゲートを備えていてもよい。第5のセンサユニットのトランジスタ部に設けられる電圧印加ゲートは、第1〜第4のセンサユニットのトランジスタ部に設けられるものと同様である。
上述したトランジスタは、集積化されていることが好ましい。即ち、単一の基板に、ソース電極、ドレイン電極、チャネル、検出用感知ゲート、及び、適宜電圧印加ゲートが2以上設けられていることが好ましく、さらに、それらはできるだけ小型化されていることがより好ましい。ただし、検出用感知ゲートの構成要素のうち、感知部は、通常は基板とは別に形成されるため、基板上には少なくとも感知用ゲート(ゲート本体)が集積されていればよい。また、適宜、各トランジスタの構成部材はそれぞれ他のトランジスタの構成部材と共有されるように設けてもよく、例えば、検出用感知ゲートの感知部、参照電極及び電圧印加ゲート等は、集積化されたトランジスタのうちの2以上に共有されるようにしてもよい。さらに、集積化するトランジスタは1種のもののみを集積化しても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用して集積化しても良い。
第5のセンサユニットにおいてトランジスタ部が集積されている場合や感知部が複数設けられている場合、即ち、感知用ゲート及び感知部の一方又は両方が2個以上設けられている場合には、第5のセンサユニットは、感知用ゲートと感知部との導通を切り替える電気接続切替部を備えていることが好ましい。この場合、第5のセンサユニットが備える電気接続切替部は、第1,第2,第4実施形態で説明したものと同様である。
第5のセンサユニットは、反応場セルユニットを設けてもよい。この反応場セルユニットは、検出を行なう場合に検体を所望の位置に存在させることができれば、即ち、検出時に検体を参照電極の電界内に位置させるか、検体を介して参照電極が感知部に電圧を印加できるようにすることができれば具体的な構成に制限は無い。
また、反応場セルユニットが流路を有している場合、その形状、寸法、本数、流路を形成する部材の材質、流路の製作方法等に制限はないが、通常は、第1,第4実施形態で説明した流路と同様である。
(1.検出対象物質)
検出対象物質とは、本実施形態のセンサユニットが検出する対象となる物質である。第5のセンサユニットにおける検出対象物質については特に制限は無く、任意の物質を検出対象物質とすることができる。また、検出対象物質として、純物質以外のものを用いることも可能である。その具体例としては、第1〜第4実施形態で例示したものと同様のものが挙げられる。
以下、本実施形態のセンサユニットを用いた検出対象物質の検出方法の具体例を例示する。
例えば、本実施形態のセンサユニットを用いれば、第1実施形態と同様に、特定物質を用いて生体分子間相互作用を用いたタンパク質等の検出、血液電解質の検出、pHの測定、血液ガスを検出、基質の検出、酵素の検出などを行なうことができる。
さらに、例えば、本実施形態のセンサユニットを用いれば、pHの測定を行なうことができる。このpHの測定では、水素イオンを検出対象物質として検出し、それによりpHを測定する。また、通常は、水素イオン選択性電極法を採用する。
さらに、感知部19の上部には図示しない反応場セルにより反応場21が形成されていて、この反応場21内において、血液が凝固するようになっている。
また、反応場21を挟んで感知部19の対向する位置には、参照電極22が設けられていて、この参照電極22から感知部19に対して電圧を印加できるようになっている。
なお、誘電率変化を促進するために試薬を用いる場合の具体例としては、例えば、APTT試験では、クエン酸処理した血液に、活性化物質であるカルシウム及びリン脂質を試薬として混合することが挙げられる。また、例えばPT試験では、血液へ、カルシウム及び組織トロンボプラスチンの混合が挙げられる。
赤血球数(RBC)、白血球数(WBC)、血小板数等の血算を調べる場合、電気抵抗を用いて測定する。例えば、血球を小孔(アパーチャー)に流通させ、その小孔を血球が通過する際の電気抵抗変化数(血球通過信号)若しくは電気インピーダンス変化数を感知することにより、血算を測定する。
図16は、全血算測定に用いるセンサユニットの一例の要部構成を模式的に示す断面図である。なお、図16において、図13と同様の符号で示す部分は、同様のものを表わす。また、図16は反応場セルユニット25を装着した状態を示している。
このセンサユニットは、図16に示すように、図13で示した血液凝固時間の測定に用いるセンサユニットの感知部19及び反応場21を備えず、着脱可能に形成された反応場セルユニット25を備えた構成となっている。即ち、図16のセンサユニットは、基板12、絶縁層13,18、ソース電極14、ドレイン電極15、カーボンナノチューブで形成されたSETチャネル16、感知用ゲート(ゲート本体)17、参照電極22、及び電圧印加ゲート23、並びに、反応場セルユニット25を備えている。
また、流路29の下部には板状フレーム26を貫通する孔が形成され、その孔には導体により形成された感知部30が設けられている。感知部30は、反応場セルユニット25と一体に形成されているため、反応場セルユニット25を図16のように装着した場合には、感知部30と感知用ゲート17とが導通し、反応場セルユニット25を取り外した場合には感知部30と感知用ゲート17とが導通しないようになっている。これにより、感知部30は、感知部30の流路29側表面(図中上面)上の部分を検出対象物質である赤血球などが通過する際の電気抵抗変数(血球通過信号)若しくは電気インピーダンス変化数を、感知部30から感知用ゲート17への電気信号により感知するようになっている。
このような構成のセンサチップにおいては、基板12、絶縁層13,18、ソース電極14、ドレイン電極15、SETチャネル16、検出用感知ゲート20(即ち、感知用ゲート17、感知部30)、及び電圧印加ゲート23からトランジスタ部32が構成されている。また、ソース電極14、ドレイン電極15、参照電極22、電圧印加ゲート23にはそれぞれ配線が接続され、この配線を通じて電圧が印加されたり、外部の測定機器によって電流、電圧等を測定されたりするようになっている。
ただし、カーボンナノチューブをチャネルに用いることは、非常に高感度の検出を実現するため、高感度の検出感度を必要とする免疫項目とその他の生化学項目等を同一原理で一度に測定することにより、疾患別に一度に診断を行なうことができ、POCTの実現が可能となる。
以下に、第5のセンサユニット、及び、それを用いた分析装置の一例の構成を示すが、本発明は以下の例に限定されるものではなく、例えば各構成要素の説明において上述したように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変形して実施することができる。
なお、以下に説明する第5のセンサユニット及びそれを用いた分析装置の概要は、第1のセンサユニットを用いた分析装置の一例として第1実施形態で説明した分析装置に対し、特定物質を用いず、参照電極を新たに設けたほかは同様の構成となっている。
即ち、集積型検出デバイス504は、図18に示すように、基板508上に、それぞれ同様に構成された複数(ここでは4個)の検出デバイス部509が集積化された構成となっていて、各検出デバイス部509は、図7(a),図7(b)に示すように、第1実施形態で説明した低誘電層110、ソース電極111、ドレイン電極112、チャネル113、絶縁膜114、感知用ゲート(ゲート本体)115、電圧印加ゲート118、絶縁体層120とそれぞれ同様に形成された低誘電層510、ソース電極511、ドレイン電極512、チャネル513、絶縁膜514、感知用ゲート(ゲート本体)515、電圧印加ゲート518、及び絶縁体層520を備えている。また、感知用ゲート515は、コネクタソケット505を介して分離型集積電極506及び反応場セル507を集積検出デバイス504に装着することにより、分離型集積電極506の対応する電極部516と共に検出用感知ゲート517(図19参照)を構成するようになっている。
また、本例の分析装置500によれば、特定物質を用いることによるもののほかは、第1実施形態で説明した分析装置100と同様の作用・効果を得ることができる。
また、センサユニット501の検出対象物質を検出する機能を損なわない限り、電極部516の一部又は全部には適当な特定物質が固定されていてもよい。さらに、この場合、上記のインピーダンスや誘電率の変化に加え、特定物質と検出対象物質との相互作用を感知するようにしても良い。
さらに、第1実施形態において説明したのと同様に、上記構成を、本発明の要旨の範囲内で任意に変形して実施することも可能である。
本発明の第6実施形態としてのセンサユニット(以下適宜、「第6のセンサユニット」という)は、基板、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流流路となるチャネル、並びに感知用ゲートを備えたトランジスタ部と、感知部、及び、検出対象物質の存在を該トランジスタ部の特性の変化として検出すべく電圧を印加される参照電極を有する反応場セルユニットを装着するためのセルユニット装着部とを備える。さらに、上記反応場セルユニットが該セルユニット装着部に装着されているときには上記感知部と該感知用ゲートとが導通状態となるように構成されている。
以下、第6のセンサユニット及び反応場セルユニットの構成要素について説明する。
[I.トランジスタ部]
(1.基板)
第6のセンサユニットにおいて、基板は、第1〜第5実施形態で説明したのと同様のものである。
第6のセンサユニットにおいて、ソース電極及びドレイン電極は、第1〜第5実施形態で説明したのと同様のものである。
第6のセンサユニットにおいて、チャネルは、第1,第2,第4,第5実施形態で説明したのと同様のものである。したがって、第1,第2,第4,第5実施形態で説明したのと同様の構成のものを用いることができ、その作製方法についても同様のものを用いることができる。
第6のセンサユニットにおいて、感知用ゲートは、第1,第4,第5実施形態で説明したのと同様のものである。したがって、感知用ゲートは、後述する反応場セルユニットが有する感知部とともに、検出用感知ゲートを構成するようになっている。即ち、第6のセンサユニットでは、反応場セルユニットの感知部で検出対象物質に起因する何らかの電気的な変化を感知した場合、この電気的な変化を電気信号として感知用ゲートに送り、感知用ゲートのゲート電位を変化させ、この感知用ゲートのゲート電圧に伴って生じるトランジスタの特性の変化を検出することにより検出対象物質の検出を行なうことができるようになっている。
セルユニット装着部は、後述する反応場セルユニットを装着するための部分である。反応場セルユニットを第6のセンサユニットに装着することができれば特に制限は無く、任意の形状、寸法に構成することができる。
また、セルユニット装着部には、反応場セルユニットを直接装着する以外にも、コネクタ等の他の接続部材を間に介して装着するようにしてもよい。即ち、反応場セルユニットを装着した場合に、感知用ゲートと反応場セルユニットが有する感知部とが導通状態となる限り、どのようにして装着するかは任意である。
第6のセンサユニットにおいても、第1〜第5のセンサユニットと同様に、トランジスタ部は電圧印加ゲートを備えていてもよい。第6のセンサユニットのトランジスタ部に設けられる電圧印加ゲートは、第1〜第5のセンサユニットのトランジスタ部に設けられるものと同様である。
上述したトランジスタは、集積化されていることが好ましい。即ち、単一の基板に、ソース電極、ドレイン電極、チャネル、感知用ゲート、及び、適宜電圧印加ゲートが2以上設けられていることが好ましく、さらに、それらはできるだけ小型化されていることがより好ましい。ただし、適宜、各トランジスタの構成部材はそれぞれ他のトランジスタの構成部材と共有されるように設けてもよく、例えば、検出用感知ゲートの感知部及び電圧印加ゲート等は、集積化されたトランジスタのうちの2以上に共有されるようにしてもよい。さらに、集積化するトランジスタは1種のもののみを集積化しても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用して集積化しても良い。
第6のセンサユニットにおいて、トランジスタ部が集積されている場合や、セルユニット装着部に装着する反応場セルユニットが感知部を複数有している場合には、第6のセンサユニットは、第1,第4,第5のセルユニットと同様、感知用ゲートと感知部との導通を切り替える電気接続切替部を備えていることが好ましい。これにより、センサユニットの小型化や、検出データの信頼性向上、検出の効率化などを図ることができる。なお、トランジスタを集積した場合には、同一のトランジスタ内の導通だけでなく、他のトランジスタとの間で上記の導通を切り替えるように構成しても良い。
なお、第6のセンサユニットが有する電気接続切替部としては、第1,第4,第5のセンサユニットが有する電気接続切替部と同様のものを用いることができる。
反応場セルユニットは、上記の第6のセンサユニットのセルユニット装着部に装着される部材であって、感知部及び参照電極を有するものである。また、反応場セルユニットは、検出を行なう場合に検体を所望の位置に存在させる部材である。さらに、上記セルユニット装着部に装着されているときには、感知部と上記感知用ゲートとは導通状態となるようになっている。なお、検体とは、センサユニットを用いて検出する対象となるものであり、その検体に検出対象物質が含有されている場合には、本実施形態のセンサユニットを用いて検出対象物質が検出されるようになっている。
本実施形態において感知部は、ソース電極及びドレイン電極が固定された基板とは離隔して形成され、基板とは離隔して反応場セルユニットに形成された部材であり、第5実施形態で説明したものと同様のものである。即ち、この感知部は、特定物質を固定化する必要が無いこと以外は、第1,第4実施形態で説明した感知部と同様に構成することができる。したがって、感知部の材料、個数、形状、寸法、感知用ゲートに対して導通をとる手段なども、第1,第4,第5実施形態で説明したのと同様である。さらに、感知部を2個以上設ける場合、1つの感知用ゲートに対して2つ以上の感知部を対応して設けることが好ましいことも同様である。なお、センサユニットの検出対象物質を検出する機能を損なわない限り、感知部には特定物質が固定されていてもよい。
本実施形態の参照電極は、検出対象物質の存在をトランジスタ部の特性の変化として検出すべく電圧を印加される電極である。詳しくは、感知部に対して電圧を印加する電極であり、このとき、検体を介して感知部に電圧または電界を印加するように構成してもよい。
さらに、参照電極を用いた検出のメカニズムについても、第5実施形態で説明したものと同様である。
流路の形状、寸法、本数等に特に制限は無いが、その検出の目的に応じて、適当な流路を形成することが望ましい。流路の具体例としては、第1実施形態において説明したものと同様のものが挙げられる。さらに、流路を形成する部材や、流路の形成方法についても、第1実施形態で説明したものと同様である。
検出対象物質とは、本実施形態のセンサユニットが検出する対象となる物質である。第5実施形態と同様、第6のセンサユニットにおける検出対象物質については特に制限は無く、任意の物質を検出対象物質とすることができる。また、検出対象物質として、純物質以外のものを用いることも可能である。その具体例としては、第1〜第5実施形態で例示したものと同様のものが挙げられる。
また、本実施形態のセンサユニットにおいてカーボンナノチューブをチャネルに用いれば、非常に高感度な検出を実現することができ、このため、高感度の検出感度を必要とする免疫項目等とその他の電解質等を同一原理で一度に測定することにより、機能別、疾患別に一度に診断を行なうことができ、POCTの実現が可能となる。このほか、第5実施形態と同様の作用、効果が得られる。
第6のセンサユニット及び反応場セルユニット、並びにそれを用いた分析装置の一例としては、第5実施形態で例示したものと同様の例が挙げられる。即ち、第5実施形態で図17〜図19を用いて例示した分析装置500において、基板508、低誘電層510、ソース電極511、ドレイン電極512、チャネル513、絶縁膜514、感知用ゲート515、電圧印加ゲート518及び絶縁体層520から構成される検出デバイス部509が本実施形態のトランジスタ部601として機能し、集積検出デバイス504及びコネクタソケット505で構成されるセンサユニット602が第6のセンサユニットとして機能し、分離型集積電極506と反応場セル507とから構成される反応場セルユニット526が本実施形態の反応場セルユニット603として機能する。また、コネクタソケット505の上部に設けられた装着部505Bは、反応場セルユニット603をセンサユニット602に装着する部分であり、セルユニット装着部604として機能する。したがって、これらのセンサユニット602及び反応場セルユニット603を有する分析装置600は、本実施形態の分析装置として機能するものである。
さらに、反応場セルユニット603が分離可能、交換可能であるため、センサユニット602及び分析装置600の製造コストを安価にすることができ、さらに、使い切り可能にすることや検体がバイオ的汚染を防ぐことができる。
さらに、第5実施形態において説明したのと同様に、上記構成を、本発明の要旨の範囲内で任意に変形して実施することも可能である。
本発明の第7実施形態としてのセンサユニット(以下適宜、「第7のセンサユニット」という)は、基板と、基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルと、検出用感知ゲートとを備えたトランジスタ部を有し、検出対象物質を検出するためのセンサユニットである。また、第7のセンサユニットにおいては、トランジスタ部が2以上集積されていると共に、検出対象物質の存在を該トランジスタ部の特性の変化として検出すべく電圧を印加される参照電極を備えている。
(1.基板)
第7のセンサユニットにおいて、基板は、第1〜第6実施形態で説明したのと同様のものである。
第7のセンサユニットにおいて、ソース電極及びドレイン電極は、第1〜第6実施形態で説明したのと同様のものである。
第7のセンサユニットにおいて、チャネルは、第1,第2,第4〜第6実施形態で説明したのと同様のものである。したがって、第1,第2,第4〜第6実施形態で説明したのと同様の構成のものを用いることができ、その作製方法についても同様のものを用いることができる。
第7のセンサユニットの検出用感知ゲートは、第5のセンサユニットと同様に構成することができる。
また、第7のセンサユニットを、第5センサユニットの感知用ゲートと同様に構成しても良い。この場合、感知用ゲート自身が、検出対象物質に起因する何らかの電気的な変化を感知し、これにより、ゲート電圧を変化させることができるように構成される。なお、センサユニットの検出対象物質を検出する機能を損なわない限り、感知部には特定物質が固定されていてもよいことも、第5のセンサユニットと同様である。
第7のセンサユニットにおいても、第1〜第6のセンサユニットと同様に、トランジスタ部は電圧印加ゲートを備えていてもよい。第7のセンサユニットのトランジスタ部に設けられる電圧印加ゲートは、第1〜第6のセンサユニットのトランジスタ部に設けられるものと同様である。
第7のセンサユニットにおいては、トランジスタ部は集積化されている。即ち、単一の基板に、ソース電極、ドレイン電極、チャネル、検出用感知ゲート、及び、適宜電圧印加ゲートが2以上設けられており、さらに、それらはできるだけ小型化されていることがより好ましい。なお、適宜、各トランジスタの構成部材はそれぞれ他のトランジスタの構成部材と共有されるように設けてもよく、例えば、検出用感知ゲートの感知部、及び、電圧印加ゲート等は、集積化されたトランジスタのうちの2以上に共有されるようにしてもよい。さらに、集積化するトランジスタは1種のもののみを集積化しても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用して集積化しても良い。
参照電極は、検出対象物質の存在をトランジスタ部の特性の変化として検出すべく電圧を印加される電極である。詳しくは、検出用感知ゲートに対して電圧を印加する電極であり、このとき、検体を介して検出用感知ゲートに電圧または電界を印加するように構成してもよい。さらに、参照電極は、基準電極として用いたり、検体の電圧を一定にするために用いたりすることもできる。
ただし、第7のセンサユニットにおいては、トランジスタ部が集積して設けられている。このとき、参照電極は各検出用感知ゲートに対応して複数設けるようにしてもよいが、1つの参照電極が2つ以上の検出用感知ゲートに対応するように構成してもよい。これにより、センサユニットの小型化を図ることができる。
第7のセンサユニットの検出用感知ゲートを第5のセンサユニットと同様に構成した場合、第5のセンサユニットと同様に、第7のセンサユニットには電気接続切替部を設けることができる。この場合、第7のセンサユニットが備える電気接続切替部は、第5実施形態で説明したものと同様である。
第7のセンサユニットは、反応場セルを有していても良い。反応場セルとは、検出を行なう場合に検体を所望の位置に存在させることができれば、即ち、検出時に検体を参照電極の電界内に位置させるか、検体を介して参照電極が検出用感知ゲートに電圧を印加できるようにすることができれば具体的な構成に制限は無い。
また、反応場セルが流路を有している場合、その形状、寸法、本数、流路を形成する部材の材質、流路の製作方法等に制限はないが、通常は、第1,第4〜第6実施形態で説明した流路と同様である。
検出対象物質とは、本実施形態のセンサユニットが検出する対象となる物質である。第7のセンサユニットにおける検出対象物質については特に制限は無く、任意の物質を検出対象物質とすることができる。また、検出対象物質として、純物質以外のものを用いることも可能である。その具体例としては、第1〜第6実施形態で例示したものと同様のものが挙げられる。
また、本実施形態のセンサユニットにおいてカーボンナノチューブをチャネルに用いれば、非常に高感度な検出を実現することができ、このため、高感度の検出感度を必要とする免疫項目等とその他の電解質等を同一原理で一度に測定することにより、機能別、疾患別に一度に診断を行なうことができ、POCTの実現が可能となる。このほか、第5,第6実施形態と同様の作用、効果が得られる。
以下に、第7のセンサユニット、及び、それを用いた分析装置の一例の構成を示すが、本発明は以下の例に限定されるものではなく、例えば各構成要素の説明において上述したように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変形して実施することができる。
また、本例の分析装置700によれば、特定物質を用いることによるもののほかは、第2実施形態で説明した分析装置200と同様の作用・効果を得ることができる。
本発明のセンサユニット、及び反応場セルユニット並びにそれを用いた分析装置は、任意の分野で適宜用いることができるが、例えば、血液(全血、血漿、血清)、リンパ液、唾液、尿、大便、汗、粘液、涙、随液、鼻汁、頸部又は膣の分泌液、精液、胸膜液、羊水、腹水、中耳液、関節液、胃吸引液、組織・細胞等の抽出液や破砕液等の生体液を含むほとんど全ての液体試料の分析に利用できる。具体例を挙げると、次のような分野で用いることができる。
例えば、化学的反応測定及び免疫学的反応測定を、上述したセンサユニットで分析できるようにすることが可能である。
例えば、電解質濃度測定グループ、酵素反応等の化学的反応を利用した生化学項目測定グループ、血液ガス濃度測定グループ、血算測定グループ、血液凝固能測定グループ、免疫学的反応測定グループ、核酸間ハイブリダイゼーション反応測定グループ、核酸−タンパク質相互作用測定グループ及びレセプタ−リガンド間相互作用測定グループからなる測定グループの群より選ばれる、少なくとも一つの測定グループの測定を、上述したセンサユニットで分析できるようにすることが可能となる。
このような分析装置の具体例を挙げれば、例えば上記第1〜第7実施形態で説明した分析装置100〜700において、流路119,218,316,519,716のうちの一部の流路(例えば、図面の手前側から一番目の流路)に対応したトランジスタ部103,203,303,401,503,601,703のチャネル113,210,310,513,710にカーボンナノチューブを用いれば、センサユニット101,201,301,402,501,602,701の、上記一部の流路に対応したトランジスタ部103,203,303,401,503,601,703を第1トランジスタ部として用いて高感度測定グループに含まれる検出対象物質を検出することができる。このとき、上記第1トランジスタ部103,203,303,401,503,601,703を構成するソース電極111,208,308,511,708、ドレイン電極112,209,309,512,709、及びチャネル113,210,310,513,710がそれぞれ第1のソース電極、第1のドレイン電極、及び第1のチャネルとして機能する。
上述したようにセンサユニットや分析装置の利便性の向上や小型化を行なうことが可能になったことにより、POCT(ポイントオブケアテスト)の観点からも利点が得られる。
即ち、従来、医療診断分野では患者により近いところでの検査を迅速に行なうという観点から、臨床検査のPOCT化(小型化、迅速化)が急速に進行すると考えられており、様々な機種が開発されつつある。
これに対し、本発明の技術によれば、臨床検査領域における上記の課題を解決することが可能である。即ち、トランジスタの構成のために集積化、小型化が可能であり、トランジスタ自身が増幅器として機能すると共に小さい流路を形成することができるため、従来よりも少量のサンプルや試薬での分析が可能となる。
[1.センサの作製]
(基板の準備)
n−型Si(100)基板を、体積比で硫酸:過酸化水素=4:1となるよう混合した酸に5分間浸して表面を酸化した後、流水で5分間すすぎ、その次に体積比でフッ化水素酸:純水=1:4となるように混合した酸で酸化膜を除去し、最後に流水で5分間すすぎSi基板表面を洗浄した。洗浄したSi基板表面を酸化炉を用いて1100℃、30分間、酸素流量3L/min.の条件で熱酸化し、厚さ約100nmのSiO2を絶縁膜として成膜した。
続いて、絶縁層表面に、以下のようにしてチャネルを形成した。図21(a)〜図21(c)は、いずれも本実施例におけるチャネルの形成方法を説明するための模式的な断面図である。なお、符号801は基板を表わし、符合802は絶縁層を表わす。
まず、図21(a)に示すように、絶縁層<802>表面にカーボンナノチューブ成長触媒を形成するために、フォトリソグラフィー法によりフォトレジスト<803>をパターニングした。即ち、絶縁層<802>上に、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)を500rpm,10秒間、4000rpm,30秒間の条件でスピンコートし、その上にフォトレジスト(シプレイ・ファーイースト社製microposit S1818)<803>を同条件でスピンコートした。
蒸着後、図21(c)に示すように、アセトンを煮沸しながらリフトオフし、アセトン、エタノール、流水の順に各3分間試料を洗浄し、窒素ブローで乾燥させた。
図23(a)〜図23(c)は、いずれも本実施例における検出デバイス部(トランジスタ部)の形成方法を説明するための模式的な断面図である。図23(a)に示すように、カーボンナノチューブ<806>の成長後、ソース電極<807>、ドレイン電極<808>、及び、サイドゲート電極<809>(図26参照)をそれぞれ作製するために、再度前述したフォトリソグラフィー法により、Si基板<801>上にフォトレジスト<803>をパターニングした。
蒸着した後、図23(c)に示すように、前述と同様に、アセトンを煮沸しながらリフトオフし、アセトン、エタノール、流水の順に各3分間試料を洗浄し、窒素ブローで乾燥させた。
Si基板<801>裏面に意図せず付着していたSiO2膜<802>(図示省略)をRIE(リアクティブ・イオン・エッチング)装置を用いてドライエッチングし除去した。このとき、使用したエッチャントはSF6で、RF出力100Wのプラズマ中で6分間エッチングを行なった。裏面のSiO2膜<802>を除去した後、EB蒸着によりPtおよびAuの順にPt/Au=300/2000Å、Ptの蒸着レートが0.5Å/分間、Auの蒸着レートが5Å/分間の条件で、Si基板<801>にバックゲート電極<810>を蒸着した。その結果、図24のようになった。なお、図24は、本実施例において検出用感知ゲート(感知用ゲート)であるバックゲート<810>を形成した基板<801>を説明するための模式的な断面図である。
次にSi基板<801>表面に形成した素子保護膜を、煮沸したアセトン、アセトン、エタノール、流水の順に各3分間洗浄し、除去した。次に、カーボンナノチューブ<806>を保護するために、ソース電極<807>、ドレイン電極<808>、及びサイドゲート電極<809>をパターニングする際のフォトリソグラフィー法と同様にして、フォトレジスト<803>を素子表面のソース電極<807>、ドレイン電極<808>、及びサイドゲート電極<809>以外の部分にパターニングしチャネル保護層<803>とした。以上の工程を経て完成したカーボンナノチューブ−電界効果トランジスタ(以下適宜、「CNT−FET」という)の模式的な断面図を図25に示し、概略図を図26に示す。なお、図26においてチャネル保護層<803>は二点鎖線で示す。
(特性測定例1)
[1.センサの作製]にて作製したCNT−FETを用いて、以下の手法により、抗体固定化前後の特性測定を行なった。
バックゲート電極<810>に、酢酸バッファー溶液で希釈した濃度100[μg/mL]のマウスIgG抗体(特定物質)を50μL滴下し、湿度90%の湿潤箱で約15分間反応させ、純水で表面を洗浄し、抗体の固定化を行なった。固定化の結果、図27のようにバックゲート電極<810>に特定物質として上記IgG抗体<811>が固定された。なお、図27は特定物質であるIgG抗体<811>を固定化した状態の本実施例のCNT−FETの概要を模式的に示す図であり、チャネル保護層<803>は二点鎖線で示す。また、IgG抗体<811>は実際には非常に微小で目視できるものではないが、ここでは説明のために図示した。
[1.センサの作製]と同様に作製したCNT−FETを用いて、相互作用として抗原−抗体反応の感知を行なった。この際、トランジスタ特性としてソース−ドレイン電流電圧特性及び伝達特性を採用し、抗原−抗体反応の前後で前記のトランジスタ特性をそれぞれ比較することで、感知を行なった。
次に濃度500μg/mLのanti−マウスIgG抗体(a−MIgG)を400μLを反応場セル内に滴下した。滴下してから50分後に再度ソース・ドレイン電流電圧特性および伝達特性を測定した。
なお、測定時の条件は、温度25℃、湿度30%、ゲート電圧の印加並びにソース・ドレイン電流電圧特性及び伝達特性の測定には、半導体パラメータアナライザー(HP4156;アジレント社製)を用いた。
[1.センサの作製]
「(基盤の準備)」の工程において行なう熱酸化の時間を5時間とし、その結果成膜されるSiO2の絶縁膜の厚さを約300nmとし、また、「(ソース電極、ドレイン電極、及びサイドゲート電極の形成)」の工程においてTiの代わりにCrを用い、Auの蒸着速度を2Å/sec.とし、また、「(バックゲート電極の作製)」の工程においてPtの代わりにTiを用い、また、チャネル保護層<803>及びサイドゲート電極<809>を形成しなかった以外は、実施例1と同様にして、CNT−FETを作製した。作製したCNT−FETの概略図を図32に示す。なお、図32において図27と同様の符号で示す部分は、同様のものを表わす。
また、抗体(特定物質)にはanti−PSA抗体(以下適宜「a−PSA」という)を用いた。さらに、a−PSAの固定化は、以下に述べる方法により行なった。図33は、このa−PSAの固定化方法を示す模式図である。図33に示すように、ソース電極<807>、ドレイン電極<808>及びカーボンナノチューブ<806>を含むチャネル部に100μg/mLの濃度のa−PSA溶液を約60μLのせ、湿潤雰囲気で1時間保持した。その後、超純水を流しながら5min.以上洗浄した。次に、窒素ブローにより水分を取り除き、真空デシケータ内で一晩乾燥させた。この結果、a−PSA溶液をのせた部分にa−PSAが固定化され、これにより、カーボンナノチューブ<806>表面全体が特定物質であるa−PSAが固定された感知部位となった。なお、図33において示したa−PSAは、実際には非常に微小で目視できるものではないが、ここでは説明のために図示した。
測定開始から160秒後、5μLの0.01M PBS溶液を滴下したが、ISDに大きな変化が見られなかった。
また、測定開始から425秒後、ウェル内のPSA濃度が15.8pg/mLとなるようにPSA溶液を滴下するとISDが約0.06μA減少した。
さらに、測定開始から570秒後、ウェル内のPSA濃度が149.1pg/mLとなるようにPSA溶液を滴下すると、PBS溶液滴下直後の状態に比べてISDが約0.15μA減少した。
以下、反応場セルに流路を形成する方法の実施例を示して流路の形成方法について具体的に説明を行なうが、流路形成方法は以下の方法に限定されるものではなく、任意の方法を採用することができる。
さらに、東レ・ダウコーニング社製のシリコーンエラストマーPDMS(ポリジメチルシロキサン)Sylgard184キットを用いて本剤−硬化剤比を10:1として攪拌後、真空下で脱気を−630Torr,15分で行なった。
図37は、反応場セルユニットの模式的な分解斜視図である。図37に示すように、切り取った反応場セル<904>を、感知部<905A>を有する基板<905>と組み合わせることにより、スリット状構造を有するパターンが形成された反応場セルユニットを完成させた。なお、流路部分の深さは前記流路のパターン<901A>の厚みを90μmとしたので、得られた反応場セルユニットの流路の深さも90μmに形成された。
このような送液システムにおいて、上記の送液ポンプを作動させることにより、液体検体を注入口から流路内に注入させると、排出口から検体を排出できた。
[1.センサの作製]
(基板の準備)
R面のサファイア基板を、アセトン、エタノールの順にそれぞれに浸し、各3分間超音波洗浄を行なった後、純水の流水で3分間すすぎ、窒素ブローで乾燥させた。その後、水分を飛ばすために、110℃のオーブンで15分間ベーキングを行なった。
続いて、以下の方法によりサファイア基板表面にCNTの成長触媒を作製した。図38(a)〜図38(c)は、いずれも本実施例におけるチャネルの形成方法を説明するための模式的な断面図である。
まず、フォトリソグラフィー法を用いてCNT<1001>(図38(b)参照)を架橋させたい場所にフォトレジストをパターニングした。フォトリソグラフィーは次のように行なった。
まず、サファイア基板<1002>(図38(a)参照)上に、ヘキサメチルジシラザンを500rpmで10秒間、4000rpmで30秒間の条件でスピンコートし、その上にフォトレジスト(シプレイ・ファーイースト社製 microposit S1818)を同条件でスピンコートした。
次に、煮沸したアセトンにサファイア基板<1002>を浸しながらリフトオフを行なった。
次に、リフトオフをしたサファイア基板<1002>をアセトン、エタノールの順にそれぞれに浸し、各3分間超音波洗浄を行なった後、純水の流水で3分間すすぎ、窒素ブローで乾燥させ触媒<1003>をパターニングした(図38(a))。
次に、CNT<1001>の両端にソース電極<1004>およびドレイン電極<1005>を作製するために、上述したフォトリソグラフィー法によりフォトレジストをパターニングした。
パターニング後、EB真空蒸着法により、チタンおよび白金の順にそれぞれ10nm、90nmの膜厚で成膜した。煮沸したアセトンに試料を浸しながらリフトオフし、次に、リフトオフをした試料をアセトン、エタノールの順にそれぞれに浸し、各3分間超音波洗浄を行なった後、純水の流水で3分間すすぎ、窒素ブローで乾燥させ、ソース電極<1004>およびドレイン電極<1005>を作製した(図38(c))。ソース電極<1004>とドレイン電極<1005>との最短間隔は4μmであった。また、図38(c)には示していないが、ソース電極<1004>及びドレイン電極<1005>はそれぞれCNTのチャネル<1001>から引出されており、また、それぞれコンタクト用パッドを有している。なお、コンタクト用パッドとは、電極配線の先端にあるプローブを接触させるための1辺が150μmの正方形の電極(パッド)を指す。
窒化シリコン絶縁膜の形成に用いた装置の要部構成を、図39に模式的に示す。窒素化合物である窒化シリコンの成膜は、図39に示すように、石英炉<1006>中に上記のサファイア基板<1002>を設置して熱CVD法を用いて行なった。サファイア基板<1002>は抵抗加熱ヒータを備える回転式のステージ<1007>上に設置した。成膜はアルゴンガスで希釈した0.3体積%モノシランガスを50mL/min.、アンモニアガスを1000mL/min.、及び、窒素ガスを2000mL/min.で流しながら、大気圧下で800℃、5分間でステージ<1007>を回転させながら行なった。昇温および降温は、窒素ガスを2000mL/min.で流しながら行なった。得られた窒化シリコン絶縁膜<1008>の膜厚は40nmであった。窒化シリコン絶縁膜<1008>を成膜したサファイア基板<1002>の模式的な断面図を図40に示す。
次に、以下の方法により、前述したサファイア基板<1002>のチャネル<1001>の直上の窒化シリコン絶縁膜<1008>の表面に、トップゲート電極<1009>を作製した。
前述したフォトリソグラフィー法と同様にして、窒化シリコン絶縁膜<1008>表面に塗布したレジストをパターニングした。次に、EB真空蒸着法により、チタンおよび金の順にそれぞれ10nm、100nmの膜厚で成膜した。煮沸したアセトンにサファイア基板<1002>を浸しながらレジストをリフトオフし、次に、リフトオフをした後のサファイア基板<1002>をアセトン、エタノールの順にそれぞれに浸し、各3分間超音波洗浄を行なった後、純水の流水で3分間すすぎ、窒素ブローで乾燥させ、トップゲート電極<1009>を作製した。トップゲート電極<1009>も、ソース電極<1004>及びドレイン電極<1005>と同様に、チャネル<1001>から引出した構造をしておりコンタクト用パッドを有している。ただし、トップゲート電極<1009>とチャネル<1001>との間には窒化シリコン絶縁膜<1008>が存在しているため、チャネル<1001>とトップゲート電極<1009>とは絶縁されている。
次に、前述した引出されたソース電極<1004>及びドレイン電極<1005>のコンタクトパッド上の窒化シリコン絶縁膜<1008>に1辺が100μmの正方形をしたコンタクト用(配線接続用)のホール(孔)<1010>(図41参照)を作製するため、上述したフォトリソグラフィー法を用いて窒化シリコン絶縁膜<1008>表面にコンタクト用のホール<1010>をレジストでパターニングした。具体的には、窒化シリコン絶縁膜<1008>の表面にフォトレジストをスピンコートし、次いで、ホール<1010>となる部分のレジストをパターニングにより除去した。オーブンにて110℃、30分間の条件でフォトレジストをベークした。反応性イオンエッチング(RIE)装置を用いてドライエッチングし、レジストを除去した部分の窒化シリコン絶縁膜<1008>を除去した。このとき、使用したエッチャントは六フッ化硫黄ガスで、RF出力100W、チャンバー内圧力は4.5Paのプラズマ中で5分間エッチングを行なった。
コンタクトホール<1010>を作製した後、EB真空蒸着法によりサファイア基板<1002>裏面にチタンおよび金の順にそれぞれ10nm、100nmの膜厚で成膜し、バックゲート電極<1011>を作製した。
その後、サファイア基板<1002>を煮沸したアセトンで5分間、さらにアセトン、エタノールの順にそれぞれに浸し、各3分間超音波洗浄を行なった後、純水の流水で3分間すすぎ、窒素ブローで乾燥させ、コンタクト用ホール<1010>のパターンを有するレジスト層を除去した。
トップゲート電極<1009>、ソース電極<1004>及びドレイン電極<1005>のコンタクトパッド上以外の部分の素子表面を保護する目的で、前述と同様のフォトリソグラフィー法を用いてレジスト<1012>をパターニングした。このようにしてトップゲート電極<1009>のコンタクトパッド上、ソース電極<1004>のコンタクトパット上、及び、ドレイン電極<1005>のコンタクトパッド上にそれぞれホール(ホール<1010>以外は図示省略)を形成し、他の素子表面をレジストで保護した。次に、オーブンにて120℃、1時間の条件でフォトレジストをベークし硬化させた。
以上の工程により作製した窒化シリコンゲート絶縁膜<1008>を有するトップゲート型CNT−FETセンサーの模式的な上面図を図41に示す。また、図41のA−A’面で切った模式的な断面図を図42に示す。なお、図41では、説明のため、CNT−FETセンサーは、図38(a)〜図40、図42とは異なる寸法で示す。
図43は、本実施例の特性測定で用いた測定系(分析装置)の要部構成を示す模式的な概要図である。なお、図43において示したPSAは、実際には非常に微小で目視できるものではないが、ここでは説明のために図示した。また、図43では、説明のため、CNT−FETセンサーは、図38〜図42とは異なる寸法で示す。
図43に示すように、測定は、レジストで保護した上記のトップゲート型CNT−FETセンサー上にシリコーンでウェルを作り、トップゲート電極のコンタクトホールを通じてトップゲート電極表面をpH7.4の10mMのリン酸緩衝液(PB)に浸して行なった。電気特性は、ソース電極とドレイン電極との電位差(VDS)を0.1Vとし、バックゲート電極の電圧(VBGS)を0Vとし、また、銀/塩化銀参照電極(R.E.)を用いPBを介してトップゲート電極にトップゲート電圧(VTGS)として0Vの一定電圧を印加し、ソース電極とドレイン電極との間に流れる電流(IDS)を時間の関数として測定した。なお、各電圧の印加及び測定は、Agilent社製4156A半導体パラメータアナライザーを用いて行なった。
時刻180sで、10μLの同濃度のPBを滴下したが、ISDに大きな変化が見られなかった。
時刻300sにウェル内のPSA濃度が0.3μg/mLになるようにPSAを滴下するとIDSが時刻1200sにおいて約1.5nA減少した。
[1.センサの作製]
(基板の準備)
実施例1の「(基板の準備)」と同様の操作を行ない、n−型シリコン単結晶(100)基板の表面に酸化シリコンを絶縁膜として成膜した。
触媒として成膜したシリコン、モリブデン及び鉄の膜厚をそれぞれ10nm、10nm及び30nmとし、フォトレジストのリフトオフ後の基板の洗浄操作を、アセトン、エタノールの順にそれぞれに浸し、各3分間超音波洗浄を行なった後に純水の流水で3分間すすぐようにし、CVD法によるCNTの成長の時間を10分間とした他は実施例1の「(チャネルの形成)」と同様の操作を行ない、基板上にCNTのチャネルを形成した。
次に、CNTの両端にソース電極及びドレイン電極を作製するために、上述したフォトリソグラフィー法によりフォトレジストをパターニングした。
パターニング後、EB真空蒸着法により、クロム及び金の順にそれぞれ20nm、200nmの膜厚で成膜した。
煮沸したアセトンに基板<1102>を浸しながらリフトオフし、次に、リフトオフをした後の基板<1102>をアセトン、エタノールの順にそれぞれに浸し、各3分間超音波洗浄を行なった後、純水の流水で3分間すすぎ、窒素ブローで乾燥させ、ソース電極<1105>及びドレイン電極<1106>を作製した(図45(a))。なお、ソース電極<1105>とドレイン電極<1106>との最短間隔は4μmであった。また、図45(a)には示していないが、ソース電極<1105>及びドレイン電極<1106>はそれぞれCNTのチャネル<1101>から引出されており、また、それぞれコンタクト用パッドを有している。なお、本実施例で用いたコンタクト用パッドは、実施例4で用いたものと同様のものである。
基板<1102>の裏面の酸化シリコンの絶縁膜<1104>を、反応性イオンエッチング(RIE)装置を用いてドライエッチングし除去した。このとき、使用したエッチャントは六フッ化硫黄ガスで、RF出力100W、チャンバー内圧力は4.5Paのプラズマ中で6分間エッチングを行なった。
次に、素子表面に形成した仮保護膜を、煮沸したアセトンで5分間、さらにアセトン、エタノールの順に、各3分間超音波洗浄により除去した後、純水の流水で3分間すすぎ、窒素ブローで乾燥させた(図45(b))。
成膜に用いたモノシランガスの濃度を3体積%とし、その流速を20mL/min.とした他は、実施例4の「(窒化シリコン膜の成膜)」と同様にして、上記の基板<1102>に対して、窒化シリコン膜<1108>の成膜を行なった。得られた窒化シリコンの膜厚は、270nmであった。窒化シリコンを成膜した基板<1102>の模式的な断面図を図46に示す。
次に、前述したソース電極<1005>及びドレイン電極<1106>のコンタクトパッド上の窒化シリコン絶縁膜<1108>にコンタクト用(配線接続用)のホール(孔)を作製するため、フォトリソグラフィー法を用いて窒化シリコンの保護膜<1108>の表面に1辺が100μmの正方形をしたコンタクト用のホール(図示省略)をフォトレジストでパターニングした。具体的には、窒化シリコンの保護膜<1108>の表面にフォトレジストをスピンコートし、次いで、ホールとなる部分のレジストをパターニングにより除去した。その後、オーブンにて110℃、30分間の条件でフォトレジストをベークした。続いて、「(4)バックゲートの作製」と同様にして、RIEを用いてソース電極<1105>及びドレイン電極<1106>上の窒化シリコンの絶縁膜<1108>をエッチングし、コンタクト用のホール(図示省略)を作製した。
次に、実施例4の「(トップゲート電極の作製)」と同様にして、上記の基板<1102>のチャネル<1101>直上の窒化シリコン絶縁膜<1108>表面に、トップゲート電極<1109>を作製した。このトップゲート電極<1109>もソース電極<1105>及びドレイン電極<1106>と同様に、チャネル<1101>から引出した構造をしておりコンタクト用パッドを有している。ただし、トップゲート電極<1009>とチャネル<1001>との間には窒化シリコン絶縁膜<1008>が存在しているため、チャネル<1001>とトップゲート電極<1009>とは絶縁されている。
実施例4の「(レジスト保護層の作製)」と同様にして、トップゲート電極<1109>、ソース電極<1105>及びドレイン電極<1106>のコンタクトパッド上以外の部分にレジスト保護層<1110>を形成した。
以上の工程により作製した窒化シリコンゲート絶縁膜<1108>を有するトップゲート型CNT−FETセンサーの模式的な上面図は図41と同様になる。なお、図41において、トップゲート電極<1109>上に設けたホールは、符号1111で示す。また、ソース電極<1105>及びドレイン電極<1106>のコンタクトパッド上に形成したコンタクトホールの図示は省略する。さらに、本実施例のCNT−FETセンサーについて、図41のA−A’面で切った模式的な断面図は、図47のようになる。
図48は、本実施例の特性測定で用いた測定系(分析装置)の要部構成を示す模式的な概要図である。なお、図48において示したRSA、PSA及びa−PSAは、実際には非常に微小で目視できるものではないが、ここでは説明のために図示した。また、図48では、説明のため、CNT−FETセンサーは、図45〜図47とは異なる寸法で示す。
濃度1mg/mLのa−PSA溶液をトップゲート電極上に滴下した後、湿潤箱内で1時間養生し、その後、純水ですすいだ。これにより、トップゲート電極へ物理吸着法によりa−PSAの固定化を行なった。
その後、PSA及びRSAそれぞれタンパク質溶液を、ピペットを用いて適宜ウェルに滴下した。
時刻250sで、10μLの同濃度のPBを滴下したが、ISDに大きな変化が見られなかった。
時刻900sでウェル内のRSA濃度が14μg/mLになるようにRSA溶液を滴下したがIDSに大きな変化が見られなかった。
時刻1800sでウェル内のPSA濃度が1.3ng/mLとなるようにPSA溶液を滴下したところ、IDS減少し始めた。
時刻2700sでウェル内のPSA濃度が12ng/mLとなるようにPSA溶液を滴下したところ、さらにIDS減少し、1800sから4000sでIDSが6nA減少した。
上記の実施例4,5は、本発明者らの鋭意検討の結果、一般にCNTを被覆する形で形成することが困難であった絶縁膜を形成できたのみならず、CNT上に極めて近接して、金属又はそれと同程度の導電率を有する材料を設置することを可能ならしめたことにより、その近接した金属等をトップゲート電極として機能させることに成功したものである。
なお、本願は、2004年9月3日付で出願された日本特許出願(特願2004−257698)に基づいており、その全体が引用により援用される。
Claims (29)
- 基板と、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルと、検出用感知ゲートとを備えたトランジスタ部を有し、検出対象物質を検出するためのセンサユニットであって、
該検出用感知ゲートが、
該基板に固定されたゲート本体と、
検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定され、該ゲート本体に対して電気的に導通をとりうる感知部とを備え、
該感知部が、該ゲート本体に対して着脱可能であり、該ゲート本体に装着されているときには該ゲート本体に電気的に導通状態となる
ことを特徴とする、センサユニット。 - 基板と、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルと、検出用感知ゲートとを備えたトランジスタ部を有し、検出対象物質を検出するためのセンサユニットであって、
該検出用感知ゲートが、該基板に固定されたゲート本体と、該ゲート本体に対して電気的に導通をとりうる感知部とを備え、該感知部が、該ゲート本体に対して着脱可能であり、該ゲート本体に装着されているときには該ゲート本体に電気的に導通状態となり、
検出対象物質の存在を該トランジスタ部の特性の変化として検出すべく電圧を印加される参照電極を備える
ことを特徴とする、センサユニット。 - 該感知部を、2つ以上有する
ことを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載のセンサユニット。 - 1つの該ゲート本体が、2つ以上の該感知部と導通可能に形成されている
ことを特徴とする、請求項3記載のセンサユニット。 - 該ゲート本体と該感知部との導通を切り替える電気接続切替部を備える
ことを特徴とする、請求項4記載のセンサユニット。 - 該トランジスタ部が、2以上集積されている
ことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載のセンサユニット。 - 検体を流通させる流路を有する反応場セルユニットを備え、
該流路に、該感知部が設けられている
ことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載のセンサユニット。 - 基板、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネル、並びに感知用ゲートを備えたトランジスタ部と、
検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質が固定された感知部を有する反応場セルユニットを装着するためのセルユニット装着部とを備え、
該感知部が、該感知用ゲートに対して着脱可能であり、該感知用ゲートに装着されているときには該感知用ゲートに電気的に導通状態となり、
上記反応場セルユニットが該セルユニット装着部に装着されているときには上記感知部と該感知用ゲートとが導通状態となる
ことを特徴とする、センサユニット。 - 基板、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流流路となるチャネル、並びに感知用ゲートを備えたトランジスタ部と、
感知部、及び、検出対象物質の存在を該トランジスタ部の特性の変化として検出すべく電圧を印加される参照電極を有する反応場セルユニットを装着するためのセルユニット装着部とを備え、
該感知部が、該感知用ゲートに対して着脱可能であり、該感知用ゲートに装着されているときには該感知用ゲートに電気的に導通状態となり、
上記反応場セルユニットが該セルユニット装着部に装着されているときには上記感知部と該感知用ゲートとが導通状態となる
ことを特徴とする、センサユニット。 - 上記反応場セルユニットが2以上の上記感知部を有している場合に該感知用ゲートと上記感知部との導通を切り替える電気接続切替部を備える
ことを特徴とする、請求項8又は請求項9に記載のセンサユニット。 - 該トランジスタ部が、2以上集積されている
ことを特徴とする、請求項8〜10のいずれか1項に記載のセンサユニット。 - 該チャネルが、ナノチューブ状構造体からなる
ことを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1項に記載のセンサユニット。 - 該ナノチューブ状構造体が、カーボンナノチューブ、ボロンナイトライドナノチューブ及びチタニアナノチューブよりなる群から選ばれる構造体である
ことを特徴とする、請求項12記載のセンサユニット。 - 該ナノチューブ状構造体に欠陥が導入されている
ことを特徴とする、請求項12又は請求項13に記載のセンサユニット。 - 該ナノチューブ状構造体の電気的特性が金属的性質を有する
ことを特徴とする、請求項12〜14のいずれか1項に記載のセンサユニット。 - 該トランジスタ部が、該チャネルに対して電圧または電界を印加する電圧印加ゲートを備える
ことを特徴とする、請求項1〜15のいずれか1項に記載のセンサユニット。 - 基板、上記基板に設けられたソース電極及びドレイン電極、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネル、並びに感知用ゲートを備えたトランジスタ部と、セルユニット装着部とを備えるセンサユニットの上記セルユニット装着部に装着される反応場セルユニットであって、
検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質が固定された感知部を有し、
上記セルユニット装着部に装着されているときには該感知部と上記感知用ゲートとが導通状態となる
ことを特徴とする、反応場セルユニット。 - 基板、上記基板に設けられたソース電極及びドレイン電極、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネル、並びに感知用ゲートを備えたトランジスタ部と、セルユニット装着部とを備えるセンサユニットの上記セルユニット装着部に装着される反応場セルユニットであって、
感知部と、検出対象物質の存在を該トランジスタ部の特性の変化として検出すべく電圧を印加される参照電極とを有し、
上記セルユニット装着部に装着されているときには該感知部と上記感知用ゲートとが導通状態となる
ことを特徴とする、反応場セルユニット。 - 該感知部を2以上有する
ことを特徴とする、請求項17又は請求項18に記載の反応場セルユニット。 - 1つの上記感知用ゲートに対して、2以上の感知部が導通可能に形成されている
ことを特徴とする、請求項19記載の反応場セルユニット。 - 検体を流通させうる流路を有し、
該流路に、該感知部が設けられている
ことを特徴とする、請求項17〜20のいずれか1項に記載の反応場セルユニット。 - 請求項1〜16のいずれか1項に記載のセンサユニットを備える
ことを特徴とする、分析装置。 - 化学的反応測定及び免疫学的反応測定を、該センサユニットで分析できるよう構成された
ことを特徴とする、請求項22記載の分析装置。 - 電解質濃度測定グループ、生化学項目測定グループ、血液ガス濃度測定グループ、血算測定グループ、血液凝固能測定グループ、免疫学的反応測定グループ、核酸間ハイブリダイゼーション反応測定グループ、核酸−タンパク質間相互作用測定グループ及びレセプタ−リガンド間相互作用測定グループからなる群より選ばれる、少なくとも一つの測定グループの測定を、該センサユニットで分析できるよう構成された
ことを特徴とする、請求項22又は請求項23に記載の分析装置。 - 電解質濃度測定グループから選択された少なくとも1つの検出対象物質、生化学項目測定グループから選択された少なくとも1つの検出対象物質、血液ガス濃度測定グループから選択された少なくとも1つの検出対象物質、血算測定グループから選択された少なくとも1つの検出対象物質、血液凝固能測定グループから選択された少なくとも1つの検出対象物質、核酸間ハイブリダイゼーション反応測定グループから選択された少なくとも1つの検出対象物質、核酸−タンパク質間相互作用測定グループから選択された少なくとも1つの検出対象物質、レセプタ−リガンド間相互作用測定グループから選択された少なくとも1つの検出対象物質、及び、免疫学的反応測定グループから選択された少なくとも1つの検出対象物質からなる群より選ばれる2以上の検出対象物質の検出を、該センサユニットで分析できるよう構成された
ことを特徴とする、請求項22〜24のいずれか1項に記載の分析装置。 - 電解質濃度測定グループ、生化学項目測定グループ、血液ガス濃度測定グループ、血算測定グループ、及び血液凝固能測定グループからなる群より選ばれる少なくとも一つの測定グループ、並びに、核酸間ハイブリダイゼーション反応測定グループ、核酸−タンパク質間相互作用測定グループ、レセプタ−リガンド間相互作用測定グループ及び免疫学的反応測定グループからなる群より選ばれる少なくとも一つの測定グループの測定を、該センサユニットで分析できるよう構成された
ことを特徴とする、請求項22〜25のいずれか1項に記載の分析装置。 - 特定の疾患又は機能を判別するために選択された2以上の検出対象物質を検出することができるよう構成された
ことを特徴とする請求項22〜26のいずれか1項に記載の分析装置。 - 該基板と、
該基板に設けられた第1のソース電極及び第1のドレイン電極、並びに、上記の第1のソース電極及び第1のドレイン電極間の電流通路になるカーボンナノチューブで形成された第1のチャネルを有する第1トランジスタ部と、
該基板に設けられた第2のソース電極及び第2のドレイン電極、並びに、上記の第2のソース電極及び第2のドレイン電極間の電流通路になる第2のチャネルを有する第2トランジスタ部とを備え、
核酸間ハイブリダイゼーション反応測定グループ、核酸−タンパク質間相互作用測定グループ、レセプタ−リガンド間相互作用測定グループ及び免疫学的反応測定グループからなる群より選ばれる少なくとも一つの測定グループから選択される少なくとも1つの検出対象物質を第1トランジスタ部の特性の変化として検出し、
電解質濃度測定グループ、生化学項目測定グループ、血液ガス濃度測定グループ、血算測定グループ、及び血液凝固能測定グループからなる群より選ばれる少なくとも一つの測定グループから選択される少なくとも1つの検出対象物質を第2トランジスタ部の特性の変化として検出するセンサユニットを備える
ことを特徴とする、請求項22〜27のいずれか1項に記載の分析装置。 - 該第1のチャネルに、上記検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定された感知部位が形成されている
ことを特徴とする、請求項28に記載の分析装置。
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