JP4777159B2

JP4777159B2 - デュアルゲート型センサ

Info

Publication number: JP4777159B2
Application number: JP2006175571A
Authority: JP
Inventors: 哲士山本; 匡彦平井; 俊治今永
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2026-06-26
Also published as: US20070295988A1; US7696530B2; JP2008003058A

Description

本発明は、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を利用したセンサに関するものである。

特許文献１には、ＦＥＴを利用したケミカルセンサが開示されている。また、特許文献２には、ＦＥＴと参照電極を組み合わせたケミカルセンサが開示されている。
特許第３３１３６９６号公報米国特許第４１８０７７１号明細書

しかしながら、前述した従来の技術にはいくつかの問題点がある。以下、詳細に述べる。

図１は、特許文献１に記載された１つのゲート電極を有するＦＥＴを利用したセンサを示すものである。図１のゲート電極２に電圧を印加した場合、半導体層４の上層領域にチャネル１３が形成される。この場合、チャネル１３と受容層８が近接するため、感度良く測定することができると予想される。一方、チャネル１３と受容層８が近接することにより、チャネル１３から試料溶液１１へのキャリアー移動が生じてしまう。すなわち、チャネル１３から試料溶液１１への漏れ電流が発生する。そのため、正確な電気測定を行うことが困難である。

また、図２は、特許文献２に記載された１つのゲート電極と参照電極を有する別のセンサを示すものである。図２では、参照電極１２によって試料溶液１１の電位を一定とすることができるため、安定した電気測定を行うことが可能になると考えられる。しかしながら、ゲート電極２００に電圧を印加することによってチャネル１３を形成するため、受容層８と離れた半導体層４の下層領域にチャネル１３が形成される。したがって、高感度な測定を行うことは困難となる。

そこで、本発明は、チャネルと受容層の距離が近く、且つチャネルから試料溶液へのキャリアー移動を抑制することが可能であるセンサ、すなわち高感度検出かつ安定した電気特性測定を実現可能であるセンサを提供することを目的とする。

本発明は、第１のゲート電極と、第２のゲート電極と、半導体層と、ゲート絶縁層と、ソース電極と、ドレイン電極と、検体を存在させるための収容部と受容層とを有するセンシング部と、を少なくとも有し、前記第１のゲート電極と前記第２のゲート電極が、前記センシング部と前記半導体層と前記ゲート絶縁層とを挟んで対向し、前記半導体層の面のうち一つが前記センシング部の前記受容層が存在する面と接し、前記半導体層の別の面が前記ゲート絶縁層と接し、前記ゲート絶縁層の前記半導体層と接している面とは別の面が前記第２のゲート電極に接しており、前記第１のゲート電極が前記収容部を介して前記受容層と対向しており、前記ソース電極および前記ドレイン電極が前記半導体層に接しているセンサの駆動方法であって、
前記センシング部に検体を挿入する工程と、
前記第２のゲート電極に閾値電圧以下の大きさの電圧を印加する工程と、
前記第１のゲート電極に閾値電圧より大きい電圧を印加し前記半導体層のうち前記センシング部の受容層が存在する面と接する面側にチャネルを形成する工程と、
前記チャネルの電気特性を測定する工程と、
を少なくとも有することを特徴とするセンサの駆動方法である。

本発明によれば、高感度且つ安定な電気特性測定を行うことが可能なセンサを提供することができる。

本発明は、二つのゲート電極を有するセンサ（デュアルゲート型センサ）に関するものである。以下、本発明を実施するための好適な形態について説明する。

図３〜図５に本形態のデュアルゲート型センサの構造を示す。なお、参照する各図面において、説明を省略している部材に付された符号は、後述する本発明の説明に用いる図面に付された符号と同様の部材を示すものである。

本形態のデュアルゲート型センサは、基板１、第２のゲート電極２００、ゲート絶縁層３、半導体層４、ソース電極５、ドレイン電極６、絶縁膜７、受容層８と収容部１５からなるセンシング部１４、第１のゲート電極２、基板１００を有する。各図において、収容部１５は検体である試料溶液１１で満たされている。

本形態のデュアルゲート型センサは、第１のゲート電極２に電圧を印加することにより、半導体層４のうち受容層８と近接する上層領域にチャネル１３を形成させることができる。それに加えて、第２のゲート電極２００に電圧を印加することにより、チャネル１３からの試料溶液１１へのキャリアー移動を抑制することができる。すなわち、第１のゲート電極２により、半導体層４のうち受容層８と近接した部分にチャネル１３を形成させ、且つ第２のゲート電極２００に電圧を印加することにより漏れ電流を軽減させる。これにより、感度良く安定な測定を行うことが可能となるのである。

これを図６を用いて説明する。図６は、図３において各電極に電圧をかけた状態のキャリアにかかる力を示す図である。図中の１６はキャリアを示す。なお、ここでは、第１のゲート電極２にマイナスの電圧、ドレイン電圧にマイナスの電圧、第２のゲート電極２００にマイナスの電圧を印加し、ソース電極は接地し、半導体層４はｐ型半導体からなる層である場合を想定して説明する。

キャリア１６には、第１のゲート電極２に印加する電圧により、半導体層４から第１のゲート電極２に向かう方向のクーロン力ａがかかる。また、キャリア１６には、ソースおよびドレイン電極にかかる電圧により、ソース電極からドレイン電極に向かう方向のクーロン力ｂがかかる。したがって、これら力ａと力ｂにより、キャリア１６にクーロン力ｃがかかる。ここで、ａの力が大きいと、キャリアが試料溶液１１中に移動し、半導体層４から試料溶液１１への漏れ出す電荷（以下、便宜的に「半導体層４から試料溶液１１への漏れ電流」という）が発生してしまう。したがって、キャリアに下向きの力すなわち半導体層４から第２のゲート電極２００に向かう方向のクーロン力ｄを加えることで、キャリアにかかる試料溶液１１から第１のゲート電極２に向かう方向の力を抑制する。これにより漏れ電流の発生を軽減することが可能となるのである。

以下、図３〜図５に示すセンサの各構成要素について詳細に述べる。

本発明のセンサは、トランジスタを利用したものである。したがって、半導体層４はその受容層側の界面近傍領域をチャネル１３として機能させるための構成要素である。

半導体層４は、無機半導体材料、有機半導体材料、無機半導体材料と有機半導体材料のハイブリッド材料のうちいずれの材料で構成されていても良い。これらの中でも、特に、有機半導体材料は受容体の固定化を比較的簡単に行えるため好ましい。半導体層４を構成する無機半導体材料としては、例えば、シリコン、ガリウム砒素などが挙げられる。また、有機半導体材料としてはペンタセン、フタロシアニン、ペリレン、ポルフイリン、ポリアニリン、ポリビニルフェノール、ポリチオフェン、トリアリールアミン、フルオレンなどが挙げられる。さらに、無機半導体材料と有機半導体材料のハイブリッド材料としては、（Ｃ_６Ｈ_５Ｃ_２Ｈ_４ＮＨ_３）_２ＳｎＩ_４などが挙げられる。また、半導体層の厚さは、１００ｎｍ以下であることが好ましい。これは、半導体層４が厚くなり過ぎるとオフ電流が増加し、センサの感度が低下してしまうからである。

また、センシング部１４は、試料溶液１１に含まれる標的物質９と受容層８の捕捉体とが相互作用をするための場である。本形態においては、第１のゲート電極２と半導体層４と絶縁膜７とによって囲まれる試料溶液１１が充填される収容部１５と受容層８とをあわせてセンシング部と呼ぶ。

受容層８は本形態のセンサが検出する標的物質９を特異的に補足する捕捉体からなる層である。本例のセンサが検出することができる標的物質と捕捉体の相互作用としては、例えば、抗原−抗体反応などのたんぱく質相互作用、アミノ酸−たんぱく質相互作用、酵素−基質反応、ＲＮＡ−たんぱく質相互作用、ＤＮＡ−ＤＮＡ相互作用、錯形成反応などが挙げられる。したがって、本例のセンサが検出する標的物質としては、例えば抗原や抗体などのたんぱく質、アミノ酸、酵素、ＲＮＡ、ＤＮＡ、糖、イオン、錯形成する分子などが挙げられる。これらの標的物質に応じて捕捉体は適宜選択することが可能である。ここで、捕捉体からなる層である受容層８は、層状構造のみならず、イオン交換膜やイオンオプトード膜のような捕捉体を含有する膜をも含む概念とする。また、捕捉体は特異的に標的物質を捕捉することができるため、試料溶液１１に標的物質以外のもの（図３〜５においては標的物質以外の物質１０）が含まれていたとしても、定性的もしくは定量的に測定することができる。

試料溶液１１が充填される収容部１５は、試料溶液１１が充填されることによって、試料溶液中の標的物質９と受容層８中の捕捉体との相互作用のための場を提供する役割を担うとともに、第１のゲート電極２と受容層８との間の抵抗体としても機能する。なお、試料溶液の比誘電率は試料溶液が２５℃の時、６０〜９０の範囲であることが好ましい。また、より好ましくは７０〜９０の範囲である。

ここで、該収容部１５への試料溶液１１の充填方法としては、試料溶液１１を該収容部中に保持させるような方法を採用してもよいし、試料溶液１１が該収容部を通過するような方法を採用してもよい。後者の場合、該収容部１５は試料溶液の流路となる。

また、半導体層４と受容層８の捕捉体は化学結合によって結合していることが好ましい。なお、本例において化学結合とは、イオン結合、共有結合、配位結合、金属結合、水素結合を含む概念とする。また、化学結合を行う具体的な方法としては、例えば、アミノ基、カルボキシル基、水酸基による脱水反応によって結合させる方法などが挙げられる。ここで、半導体層４の表面には、捕捉体を固定化するための活性基を有する分子を予め固定化した後、活性基と捕捉体とを結合させることで、捕捉体を半導体層４の表面に固定化することもできる。また、半導体層４の表面に標的物質９以外のものが非特異的に吸着することを防止するために、半導体層４の表面のうち捕捉体が存在する部分以外の部分をブロッキング剤でコーティングしても良い。

また、ソース電極５およびドレイン電極６は蒸着法、塗布法、ナノインプリント法などの方法によって作製することができる。ソース電極５およびドレイン電極６は図３〜図５に示すいずれの位置に形成しても良い。いずれの場合においても、第１のゲート電極２に電圧を印加することよってチャネル１３が形成されるため、チャネル１３は図３〜図５に図示されているように半導体層４の上層部に形成される。

また、ソース電極５およびドレイン電極６が試料溶液１１と接し得る位置に形成される場合、絶縁膜７は、ソース電極５からドレイン電極６に試料溶液１１を介して直接電流が流れることを防止する目的で形成される。したがって、絶縁膜７は、ソース電極５およびドレイン電極６のうち試料溶液１１と接し得る部分を覆い、且つ、半導体層４と受容層８と試料溶液１１が接触するように絶縁膜７が形成される。ここで、絶縁膜７は漏れ電流を防止するためのものであることから、ガス・液体・イオンなどを透過しない材料であることが好ましい。このような絶縁膜７としては、例えばパリレンが挙げられる。

第１のゲート電極２には、半導体層４のチャネル１３を形成するための電圧を印加する。第１のゲート電極２は、予め基板１００上に形成した後、第１のゲート電極２を形成した面がセンシング部１４と隣接するように配置してデュアルゲート型センサとすることができる。このような第１のゲート電極２としては、溶液に対して化学的に安定な材料で構成されている電極を用いる。そのような材料からなる電極の中でも、金、白金、銀・塩化銀電極、標準水素電極を使用することが好ましい。また、基板１００は、第１のゲート電極２を支持する機能を有するものであれば何でも良いが、耐衝撃性に優れたプラスティックからなることが好ましい。

第２のゲート電極２００には、第１のゲート電極２に印加する電圧の影響により半導体層４から試料溶液１１中に漏れ出す電流を軽減するための電圧を印加する。したがって、第１のゲート電極２に印加する電圧の影響による漏れ電流を効果的に軽減するために、第２のゲート電極２００は、半導体層およびゲート絶縁層を挟んで第１のゲート電極２と対向する位置に形成する。このような第２のゲート電極２００は、基板１上に形成しても良いし、基板１が導電性の材料で構成されるものであれば基板１が第２のゲート電極２００の機能を兼ねても良い。ここで、基板１とは、素子全体を支持する機能を有するものである。第２のゲート電極２００を基板１上に形成する場合、第２のゲート電極２００を構成する材料としては、例えば金、白金などが挙げられる。また、基板１が第２のゲート電極２００の機能を兼ねる場合、基板１としては、例えばドーピングされたシリコン基板などを用いることができる。

ゲート絶縁層３は第２のゲート電極２００のゲート絶縁層として機能する。このようなゲート絶縁層３の材料としては、例えばポリビニルフェノール、ポリイミドなどが挙げられる。

次に、本例のデュアルゲート型センサの駆動方法について説明する。

初めに、第２のゲート電極２００に印加する最適電圧を以下のように決定する。

第２のゲート電極２００に印加する電圧は、大きいほどチャネル１３から試料溶液１１への漏れ電流を軽減する効果が大きくなると予想される。しかしながら、第２のゲート電極２００に印加する電圧が本例のトランジスタの閾値電圧より大きい場合、半導体層４の下層部にもチャネルが形成されてしまう。したがって、第２のゲート電極２００に印加する電圧は閾値電圧以下とする。特に、第２のゲート電極２００に印加する最適電圧値を閾値電圧とすることで、高感度を維持しつつ、漏れ電流を最小限に抑えることが可能となるため好ましい。なお、本発明および本明細書において、閾値電圧とは本発明のデバイスにおいて、受容層を有するセンシング部に検体の緩衝溶液のみを満たした状態で、半導体層に電圧を印加した際にチャネルを形成しない最大の電圧のことである。すなわち、閾値電圧まではチャネルを形成しないものとする。

ここで、より厳密に漏れ電流を最小にする最適電圧値を決定するには、以下の方法を用いる。第１のゲート電極２に印加する電圧を一定値とし、第２のゲート電極２００に印加する電圧を変化させる。そして、第１のゲート電極２に流れる電流値を測定し、第１のゲート電極に流れる電流値を最小にする電圧を最適電圧値とする。このような方法により最適電圧値を決定する理由は以下の通りである。ソース電極５を接地させ、ドレイン電極６に電圧を印加し、第１のゲート電極２および第２のゲート電極２００に電圧を印加した際の定常状態においては、第１のゲート電極２には、ほとんど電流が流れない。流れたとしても、センサ感度と比較して無視できる程度に微弱な電流となる。これは、第１のゲート電極２と第２のゲート電極２００がコンデンサ状態となるためである。それに対し、チャネル１３から試料溶液１１への漏れ電流が発生する場合には、チャネル１３から試料溶液１１へ発生した漏れ電流が第１のゲート電極２に達するため、第１のゲート電極に電流が流れる。したがって、第１のゲート電極に流れる電流値を最小とする電圧が漏れ電流を最小とする最適電圧値となるのである。

次に、第２のゲート電極２００に電圧を印加しない状態で、受容層８を有するセンシング部１４に試料溶液１１を挿入する。この際の挿入方法はバッチ式で行ってもよく、マイクロ流路を用いてフロー式で行っても良い。

続いて、第２のゲート電極２００に前記最適電圧を一定値として印加した後、第１のゲート電極２の電圧を変化させて、半導体層４のうち、センシング部１４の受容層８が存在する面と接する面側にチャネル１３を形成する。ここで、「半導体層４のうち、センシング部１４の受容層８が存在する面と接する面側」とは、半導体層のうち、センシング部１４の受容層８が存在する面と半導体層４との界面から半導体層の３分の１の厚さまでの領域のこととする。このように形成されたチャネルの電気特性値の変化を測定する。なお、第１のゲート電極２に印加する電圧は前記閾値電圧より大きい電圧とする。本例のセンサでは、受容層８の捕捉体が標的物質９を補捉した状態と、していない状態のそれぞれにおける、チャネル１３の電気特性（例えばドレイン電流、移動度など）の変化を測定する。これより、標的物質の有無、および予め作成した検量線と比較することで標的物質の濃度を測定することができる。ここで、電気特性値は、計測部、ＰＣ、分析ソフトなどからなる測定システムなどを用いて測定することができる。

本例のセンサは、前記トランジスタと実質的に同様の第２のトランジスタを用いて、電気的に差動対を形成させることも可能である。ここで、差動対による測定方法とは、試料溶液１１を流した際のトランジスタの電流値と、試料溶液１１の緩衝溶液（試料溶液から標的物質のみを除いた溶液）のみを流した際のトランジスタの電流値とを同時に測定し、電流値の差をセンシング量とする方法である。また、本例のセンサを集積化し、カード型センサチップとして使用することも可能である。

本発明にかかる実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。

（実施例１）
図３に示すデュアルゲート型センサを作製する。

プラスティック基板１に金を蒸着し、第２のゲート金電極２００とする。第２のゲート電極２００の上に、ポリイミドを含む溶液をスピンコートし、乾燥して、厚さ８００ｎｍとなるゲート絶縁層３を形成する。ゲート絶縁層３の上に、テトラベンゾポルフィリンを膜厚７０ｎｍとなるよう蒸着し、その上にカルボキシル基を有するテトラベンゾポルフィリンを膜厚１０ｎｍとなるように蒸着して半導体層４を得る。続いて、形成した前記半導体層４の上に金を蒸着し、ゲート長（ソース電極とドレイン電極の間隔）５０μｍ、ゲート幅３ｍｍとなるよう、ソース電極５およびドレイン電極６を形成する。さらに、ソース電極５およびドレイン電極６と試料溶液１０が接触しないように、パリレンからなる絶縁膜７を形成する。

次に、濃度０．１Ｍ、ｐＨ７．６のリン酸緩衝液（ＰＢＳ）に、捕捉体であるＢＳＡ（ウシ血清アルブミン）の濃度が１０ｎｇ／ｍｌとなるように溶解させてＢＳＡ溶液を作製する。その後、半導体層４が有するカルボキシル基を水溶性カルボジイミド（ＷＳＣ）とＮ−ヒドロキシスクシイミド（ＮＨＳ）によってスクシイミド化する。スクシイミド化した前記テトラベンゾポルフィリンからなる半導体層４の表面に、作製したＢＳＡ溶液を滴下し、ＢＳＡ抗原を半導体層４表面に固定化し、受容層８とする。最後に、濃度１Ｍ、ｐＨ８．３のエタノールアミン―塩酸水溶液を滴下し、ブロッキング処理を行う。

次に、プラスティック基板１００上に金を蒸着し、第１のゲート電極２を表面に有する基板１００を形成する。前記第１のゲート電極２を表面に有する基板１００を、デュアルゲート型センサを構成する他の部材と張り合わせて図３のデュアルゲート型センサを形成する。

続いて、チャネル１３から試料溶液への漏れ電流を最小にするための第２のゲート電極２００に印加する最適電圧値を決定する。

濃度０．１Ｍ、ｐＨ７．６のリン酸緩衝液（ＰＢＳ）をセンシング部１４にマイクロ流路を用いて満たす。次に、ソース電極５を接地させ、ドレイン電極６に電圧−２０Ｖを印加する。更に、第１のゲート電極２に−１０Ｖの電圧を印加し、第２のゲート電極２００に印加する電圧を０Ｖから閾値電圧である−５Ｖまで変化させて、第１のゲート電極に流れる電流値が最小になる最適電圧値を測定し、最適電圧値を−５Ｖとする。

前記最適電圧値を決定した後、センシング部１４に試料溶液１１をマイクロ流路を用いて流す。ここで、前記試料溶液１１は、標的物質である抗ＢＳＡ抗体９を、濃度０．１Ｍ、ｐＨ７．６のリン酸緩衝液（ＰＢＳ）に１０ｎｇ／ｍｌの濃度となるよう溶解させた溶液とする。

次に、ソース電極５を接地させ、ドレイン電極６に−８０Ｖ、第２のゲート電極２００に前記最適電圧値の電圧である−５Ｖを印加した状態で、第１のゲート電極２に電圧を０Ｖから−８０Ｖの範囲で印加し、電気特性測定を行う。

さらに、試料溶液の濃度を変えて測定を行う場合は、センシング部１４に濃度０．１Ｍ、ｐＨ２．２のグリシン―塩酸緩衝再生液を３分間流し、標的物質と捕捉体を解離させる。その後、濃度０．１Ｍ、ｐＨ７．６のリン酸緩衝液（ＰＢＳ）でセンシング部を洗浄し、濃度を変えた試料溶液１１を前述したのと同様の方法で流して、再度電気特性値の測定を行う。

これにより、標的物質濃度を変えた際の電気特性値の変化を示す検量線を作成する。

次に、未知の濃度の標的物質を含む試料溶液を用いて同様に測定を行う。測定された電気特性値と検量線を比較することで、標的物質の濃度を測定することが可能となる。

また、捕捉体は標的物質と特異的に結合するものであるため、図３に示すように、標的物質と標的物質以外の物質を含む試料溶液を用いて同様に測定を行う場合であっても標的物質の濃度を測定することが可能となる。

このように、本発明を用いることにより、図７〜図９のような構成のセンサと比較して高感度且つ安定な電気特性測定を行うことが可能となる。

図７のような構成のセンサとする場合、チャネル１３と受容層８との間に絶縁層７を形成することで、チャネル１３から試料溶液１１へのキャリアー移動を抑制する効果はあるものの、チャネル１３と受容層８が離れてしまうため、感度が低下してしまう。

また、図８のような構成のセンサとする場合、半導体層４の下層領域にチャネル１３が形成されるため、チャネル１３と受容層８が離れてしまい、感度が低下してしまう。

さらに、図９のような構成のセンサとする場合、チャネル１３と受容層８が離れた位置に存在することになるため、高感度な測定を行うことは困難である。

よって、本発明を用いることにより、高感度且つ安定な電気特性測定が可能なセンサを提供することが可能となる。

臨床検査医学分野において、ＰＯＣＴ（ＰｏｉｎｔＯｆＣａｒｅＴｅｓｔｉｎｇ）を実現可能とする、簡易、かつ、ローコストな臨床検査方法を提供する。また、ＤＮＡ解析、および遺伝子治療のための情報収集にも利用可能である。

１つのゲート電極を有するＦＥＴを利用した従来のセンサを説明する図である。１つのゲート電極と参照電極を有するＦＥＴを利用した従来のセンサを説明する図である。本発明のデュアルゲート型センサを説明する図である。本発明のデュアルゲート型センサを説明する図である。本発明のデュアルゲート型センサを説明する図である。本発明のデュアルゲート型センサにおいて、キャリアにかかる力を説明する図である。１つのゲート電極を有するＦＥＴを利用したセンサを説明する図である。１つのゲート電極を有するＦＥＴを利用したセンサを説明する図である。２つのゲート電極を有するＦＥＴを利用したセンサを説明する図である。

符号の説明

１、１００基板
２第１のゲート電極
２００第２のゲート電極
３ゲート絶縁層
４半導体層
５ソース電極
６ドレイン電極
７絶縁膜
８捕捉体からなる受容層
９標的物質
１０標的物質以外の物質
１１試料溶液
１２参照電極
１３チャネル
１４センシング部
１５収容部
１６キャリア

Claims

第１のゲート電極と、第２のゲート電極と、半導体層と、ゲート絶縁層と、ソース電極と、ドレイン電極と、検体を存在させるための収容部と受容層とを有するセンシング部と、を少なくとも有し、前記第１のゲート電極と前記第２のゲート電極が、前記センシング部と前記半導体層と前記ゲート絶縁層とを挟んで対向し、前記半導体層の面のうち一つが前記センシング部の前記受容層が存在する面と接し、前記半導体層の別の面が前記ゲート絶縁層と接し、前記ゲート絶縁層の前記半導体層と接している面とは別の面が前記第２のゲート電極に接しており、前記第１のゲート電極が前記収容部を介して前記受容層と対向しており、前記ソース電極および前記ドレイン電極が前記半導体層に接しているセンサの駆動方法であって、
前記センシング部に検体を挿入する工程と、
前記第２のゲート電極に閾値電圧以下の大きさの電圧を印加する工程と、
前記第１のゲート電極に閾値電圧より大きい電圧を印加し前記半導体層のうち前記センシング部の受容層が存在する面と接する面側にチャネルを形成する工程と、
前記チャネルの電気特性を測定する工程と、
を少なくとも有することを特徴とするセンサの駆動方法。