JP5447858B2 - カレントミラー型バイオセンサ - Google Patents

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Description

本発明は、２つの電界効果トランジスタのペアからカレントミラー回路を構成すると共に、そのうちの１つのトランジスタで液体試料特性のセンシングを行うように構成したカレントミラー型バイオセンサに関する。
近年、疾患の診断、薬物代謝に関する個人差の検出、または、食品若しくは環境モニタ等の目的で、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質等の生体関連物質の検査をするための種々の方法が開発されており、特に、電気的な信号によって生体分子（ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅ）を検出するバイオセンサの研究が進んでいる。最近では、電気的な信号の転換が速く、集積回路とＭＥＭＳ（Ｍｉｃｏｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）の接続が容易であるという観点から、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、「ＦＥＴ」ともいう。）を使用して生物学的な反応を検出するバイオセンサについて多くの研究がなされている。
従来、ＦＥＴを用いたバイオセンサは、ＭＯＳＦＥＴからゲート電極を除去し、絶縁膜の上にイオン感応膜を被着した構造を有しており、「ＩＳＦＥＴ（Ｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ＦＥＴ）」と呼ばれている。そして、イオン感応膜に酸化還元酵素、各種タンパク質、ＤＮＡ、抗原または抗体などを配置することによって、各種バイオセンサとして機能するようになっている。
具体的には、バイオセンサに用いられるＦＥＴは、シリコン基板の表面にソース電極、ドレイン電極及びゲート絶縁膜を形成し、ソース電極とドレイン電極間のゲート絶縁物表面に金属電極を有する構造となっている。この金属電極の表面には、ＤＮＡプローブとアルカンチオールが配置されている。実際に測定を行う場合には、金属電極と、金属電極の表面上に配置されたＤＮＡプローブ及びアルカンチオールと、参照電極とが測定セル内の反応溶液中に配置されるようになっており、参照電極を介して電圧が印加されると、反応溶液中に含まれるターゲットＤＮＡとＤＮＡプローブとの結合の前後で変化する絶縁ゲート電界効果トランジスタの電気特性変化、すなわち、ソースとドレインとの間を流れる電流値の変化を検出することにより、反応溶液中に含まれるターゲットＤＮＡの伸張の有無を検出することができるようになっている。
上記のようなバイオセンサをさらに発展させた形態として、特許文献１（特表２００８−５０６９４３号公報）には、カレントミラー回路の一つのトランジスタをＩＳＦＥＴに設定することにより、バイオセンシング部の反応に応じた電流を検知できるようにしたカレントミラー型のバイオセンサが開示されている。
特表２００８−５０６９４３号公報
本発明は以上のような課題を解決するためのものであり、請求項１に係る発明は、ＭＯＳタイプの２つのトランジスタによってカレントミラー回路が構成されると共に、前記２つのトランジスタのうち、一方のトランジスタがＩＳＦＥＴとして利用され、他方のトランジスタがＩＳＦＥＴとして利用されないカレントミラー型バイオセンサにおいて、前記２つのトランジスタとは独立したモニタ用トランジスタを備えており、前記２つのトランジスタのうちＩＳＦＥＴとして利用されないトランジスタと、前記モニタ用トランジスタとがカレントミラー回路を構成することを特徴とする。
本発明は以上のような課題を解決するためのものであり、請求項１に係る発明は、２つのトランジスタによってカレントミラー回路が構成されると共に、前記２つのトランジスタのうち、一方のトランジスタがＩＳＦＥＴとして利用され、他方のトランジスタがＩＳＦＥＴとして利用されないカレントミラー型バイオセンサにおいて、前記２つのトランジスタとは独立したモニタ用トランジスタを備えており、前記２つのトランジスタのうちＩＳＦＥＴとして利用されないトランジスタと、前記モニタ用トランジスタとがカレントミラー回路を構成することを特徴とする。
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のカレントミラー型バイオセンサにおいて、ＩＳＦＥＴとして利用されるトランジスタは感応膜をさらに有し、前記感応膜上における所定領域に被検査物質が配置されることを特徴とする。
また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載のカレントミラー型バイオセンサにおいて、前記感応膜と接触しない探針状の参照電極を有し、前記探針状の参照電極が前記被検査物質と接触する。
また、請求項４に係る発明は、請求項２に記載のカレントミラー型バイオセンサにおいて、前記感応膜上に設けられた膜状の参照電極を有し、前記膜状の参照電極が前記被検査物質と接触する。
また、請求項５に係る発明は、請求項１に記載のカレントミラー型バイオセンサにおいて、前記ＩＳＦＥＴとして利用されるトランジスタは感応膜をさらに有し、前記感応膜上には被検査物質を配置する所定領域が設けられることを特徴とする。
また、請求項６に係る発明は、請求項５に記載のカレントミラー型バイオセンサにおいて、前記感応膜と接触しない探針状の参照電極をさらに有することを特徴とする。
また、請求項７に係る発明は、請求項５に記載のカレントミラー型バイオセンサにおいて、前記感応膜上に設けられた膜状の参照電極をさらに有することを特徴とする。
また、請求項８に係る発明は、請求項２乃至請求項７のいずれかに記載のカレントミラー型バイオセンサにおいて、前記所定領域が親水性を示すと共に、前記感応膜上における前記所定領域以外の領域に疎水性を示す領域が含まれていることを特徴とする。
また、請求項９に係る発明は、請求項２乃至請求項７のいずれかに記載のカレントミラー型バイオセンサにおいて、前記所定領域が細胞接着性を示すと共に、前記感応膜上における前記所定領域以外の領域に細胞接着阻害性を示す領域が含まれていることを特徴とする。
また、請求項８に係る発明は、請求項２乃至請求項７のいずれかに記載のカレントミラー型バイオセンサにおいて、前記所定領域に対しては親水性を付与する処理が施されると共に、前記感応膜上における前記所定領域以外の領域に対しては疎水性を付与する処理が施されていることを特徴とする。
また、請求項９に係る発明は、請求項２乃至請求項７のいずれかに記載のカレントミラー型バイオセンサにおいて、前記所定領域に対しては細胞接着性を付与する処理が施されると共に、前記感応膜上における前記所定領域以外の領域に対しては細胞接着阻害性を付
与する処理が施されていることを特徴とする。
また、請求項１０に係る発明は、請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のカレントミラー型バイオセンサにおいて、前記ＩＳＦＥＴとして利用されるトランジスタを構成する半導体膜及び電極膜が透明であることを特徴とする。
本発明のカレントミラー型バイオセンサにおいては、カレントミラー回路を構成する２つのトランジスタとは独立したモニタ用トランジスタを備えており、前記２つのトランジスタのうちＩＳＦＥＴとして利用されないトランジスタと、前記モニタ用トランジスタとがカレントミラー回路を構成するようになっている。
前記２つのトランジスタが構成するカレントミラー回路と、ＩＳＦＥＴとして利用されないトランジスタと前記モニタ用トランジスタとが構成するカレントミラー回路とを比較すれば、トランジスタ間の距離の観点からは、後者のカレントミラー回路の方が良好な特性を得るためには不利な条件となる。より不利な条件で構成された後者のカレントミラー回路で、モニタテストを行い、ある一定以上の特性を得ることができれば、前者のカレントミラー回路でも問題のない特性を得ることができるもの推定することができる。
以上のような本発明のカレントミラー型バイオセンサによれば、ＩＳＦＥＴとして利用されないトランジスタと前記モニタ用トランジスタとが構成するカレントミラー回路を用いてモニタテストを行うことで、バイオセンサをなす２つのトランジスタが構成するカレントミラー回路がある一定以上の特性を満足することを確認可能となり、バイオセンサの信頼性を高めることが可能となる。
本発明の第１実施形態及び第７実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの構造の概略を示す図である。 本発明の第１実施形態及び第７実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの回路構成を示す図である。 本発明の第１実施形態及び第７実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの使用状況を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの構造の概略を示す図である。 本発明の第３実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの構造の概略を示す図である。 本発明の第４実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの構造の概略を示す図である。 本発明の第４実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの回路構成を示す図である。 本発明の第５実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの構造の概略を示す図である。 本発明の第６実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサを上面図である。 本発明の第６実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサのＡ−Ａ’断面を模式的に示す図である。 本発明の第１実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの構成に基づくシミュレーション結果を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの構造の概略を示す図である。図１（Ａ）はカレントミラー型バイオセンサを上面側から見た図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）におけるＸ−Ｘ’断面を模式的に示す図である。また、図２は本発明の第１実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの回路構成を示す図であり、図３は本発明の第１実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの使用状況を示す斜視図である。
本発明に係るカレントミラー型バイオセンサ１００は、センサ上側に設けられた所定領域に、細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質を含む被検査液体Ｆを配置し、その電気的特性を取得するものであり、図１に示すカレントミラー型バイオセンサ１００は、トップゲートボトムコンタクトの構造を有するものである。なお、本実施形態では、センサ上側の所定領域に被検査液体Ｆを配置する例に基づいて説明するが、カレントミラー型バイオセンサ１００で測定可能な物質は液体に限らず、気体、固体やジェルなどの被検査物質も含まれる。
本発明に係るカレントミラー型バイオセンサ１００は、第１の電界効果トランジスタと、これとは異なる第２の電界効果トランジスタとを基本の構成としており、センサ内の配線によって、第１及び第２の２つの電界効果トランジスタのペアからカレントミラー回路が構成されるようになっている。また、第１電界効果トランジスタは通常のＦＥＴとして利用され（すなわちＩＳＦＥＴとしては利用されず）、第２電界効果トランジスタは被検査液体の電気的特性をセンシングするためのＩＳＦＥＴとして利用されるようになっている。以下、図１及び図２において、バイオセンサを構成するトランジスタのうち、左側に位置するトランジスタを第１電界効果トランジスタ、右側に位置するトランジスタを第２電界効果トランジスタと定義して説明する。
さらに、本発明に係るカレントミラー型バイオセンサ１００においては、バイオセンサを構成する第１電界効果トランジスタ、第２電界効果トランジスタの他に、第１電界効果トランジスタと共にカレントミラー回路を構成するモニタ用トランジスタが設けられており、これにより、モニタテストを実施することができるようになっている。
カレントミラー型バイオセンサ１００には、電流入力端子１０１、電流出力端子１０２、参照電極接続用端子１０３、接地端子１０４、モニタ用端子１０５の５つの端子が設けられており、これらにより外部構成との電気接続を可能としている。
電流入力端子１０１は、センサ内においては、第１電界効果トランジスタの第１ドレイン電極１１１と参照電極接続用端子１０３、第１電界効果トランジスタのゲート電極１１４、モニタ用トランジスタゲート電極１９４と導通するようになっている。この電流入力端子１０１には不図示の定電流源が接続され、電流Ｉｉｎを流すように利用される。
また、電流出力端子１０２は、センサ内においては、第２電界効果トランジスタの第２ドレイン電極１１２と導通するようになっている。本発明に係るカレントミラー型バイオセンサ１００は、図２に示すようなカレントミラー回路が組まれていることから、この電流出力端子１０２には、電流入力端子１０１にＩｉｎが流れると、電流Ｉｏｕｔが流れるようになっている。被検査液体Ｆの電気的特性は、所定の電流Ｉｉｎを電流入力端子１０１に流したとき、電流出力端子１０２にどのような電流Ｉｏｕｔが流れるかによって解析されるようになっている。
参照電極接続用端子１０３は、センサ内においては、第１電界効果トランジスタの第１ドレイン電極１１１、第１電界効果トランジスタのゲート電極１１４、モニタ用トランジスタゲート電極１９４と導通するようになっている。この参照電極接続用端子１０３には
、例えば、探針状の参照電極１１５が接続されるようになっており、参照電極１１５は被検査液体Ｆ中に挿通された状態で、被検査液体Ｆと電気的に導通させるようにして利用される。
ＩＳＦＥＴにおける参照電極１１５は、通常のＦＥＴではゲート電極に相当する電極であるが、ＩＳＦＥＴにおいては、この参照電極１１５は、被検査液体Ｆの電気的特性を、感応膜１４０などを介して、第１ドレイン電極１１１−ソース電極１１３間の半導体膜１２０に伝達させるための機能を果たす。図２における第１電界効果トランジスタの回路図は、このような参照電極１１５と被検査液体Ｆとの関係を模式的に示したものである。
接地端子１０４は、センサ内においてはソース電極１１３、モニタ用トランジスタソース電極１９３と導通するようになっている。この接地端子１０４はグランドと接続するために利用される。なお、本発明においては、ソース電極１１３を接地して、第１ドレイン電極１１１、第２ドレイン電極１１２を電流の入力側電極として利用する例について説明するが、ドレイン電極を接地するようにして、２つのソース電極を設けて、これらのソース電極を入力側電極として利用するように構成してもよい。
モニタ用端子１０５は、センサ内においてはモニタ用トランジスタドレイン電極１９１と導通するようになっている。このモニタ用端子１０５は、カレントミラー型バイオセンサ１００のモニタテストを実施する際に用いられる。
図２の回路図を参照すると、バイオセンサを構成する第１電界効果トランジスタ、第２電界効果トランジスタのうちの、通常のＦＥＴとして利用される第１電界効果トランジスタと、モニタ用トランジスタ１９０とはカレントミラー回路を構成していることがわかる。また、第１電界効果トランジスタとモニタ用トランジスタ１９０との間の距離は、第１電界効果トランジスタと第２電界効果トランジスタとの間の距離はより長いことが、図１よりわかる。
上記のような構成の下、カレントミラー型バイオセンサ１００のモニタテストにおいては、電流入力端子１０１に不図示の定電流源を接続し、接地端子１０４をグランドと接続し、モニタ用端子１０５に流れる電流Ｉｔｅｓｔを測定する。このようなモニタテストを実施し、所定以上の特性を得ることができることができたのならば、バイオセンサをなす第１電界効果トランジスタ、第２電界効果トランジスタからなるカレントミラー回路の特性も所定以上であることを確認することができる。
第１電界効果トランジスタ、第２電界効果トランジスタのトランジスタが構成するカレントミラー回路と、ＩＳＦＥＴとして利用されない第１電界効果トランジスタとモニタ用トランジスタ１９０とが構成するカレントミラー回路とを比較すれば、前述のようにトランジスタ間の距離の観点からは、後者のカレントミラー回路の方が良好な特性を得るためには不利な条件となる。より不利な条件で構成された後者のカレントミラー回路で、モニタテストを行い、ある一定以上の特性を得ることができれば、前者のカレントミラー回路でも問題のない特性を得ることができるもの推定することができる。
このように本発明のカレントミラー型バイオセンサによれば、ＩＳＦＥＴとして利用されない第１電界効果トランジスタとモニタ用トランジスタ１９０とが構成するカレントミラー回路を用いてモニタテストを行うことで、バイオセンサをなす２つのトランジスタが構成するカレントミラー回路がある一定以上の特性を満足することを確認可能となり、バイオセンサの信頼性を高めることが可能となる。
次に、本発明に係るカレントミラー型バイオセンサ１００の積層構造について説明する
。なお、各端子については図１（Ｂ）に示されていないが、各端子は適当な周知の方法によってセンサ内に組み込まれるようになっている。
基材１１０は、半導体膜１２０、第１ドレイン電極１１１、第２ドレイン電極１１２、ソース電極１１３を積層することが可能な材料で形成されたものであれば特に限定されるものではない。具体的には、ガラス等の無機材料、ＰＥＮまたはＰＥＴなどのプラスチック（ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ナイロン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、メチルペンテン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニル樹脂）で代表される有機材料を挙げることができる。本実施形態においては基材１１０の形状を平板としたが、基材１１０の形状はこれに限定されず、例えば、平膜、フィルム、多孔質膜等の平坦な形状や、シリンダ、スタンプ、マルチウェルプレート、マイクロ流路等の立体的な形状を採用することもできる。フィルムを使用する場合、その厚さは特に制限されないが、通常１μｍ〜１ｍｍ程度である。
半導体膜１２０は、第１ドレイン電極１１１、第２ドレイン電極１１２、ソース電極１１３を覆うようにして基材１１０上に積層されて形成されている。また、モニタ用トランジスタ半導体膜１９２は、モニタ用トランジスタドレイン電極１９１及びモニタ用トランジスタソース電極１９３を覆うようにして基材１１０上に積層されて形成されている。
具体的には、半導体膜１２０、モニタ用トランジスタ半導体膜１９２は、ＩｎＭＺｎＯ（Ｍはガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）のうち少なくとも１種）を主成分とするアモルファス酸化物によって形成される。特に、ＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物が好ましい。また、このＩＧＺＯを主成分とする半導体膜１２０には、必要に応じて、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｎ等を構成元素として加えたものであってもよい。ＩＧＺＯ半導体膜など半導体膜１２０は、室温から１５０℃程度の低温での製膜が可能であることから、耐熱性に乏しいプラスチック基板やガラス基板に対して好ましく適用できる。
また、半導体膜１２０、モニタ用トランジスタ半導体膜１９２は、酸化物亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする酸化物半導体から形成されていてもよい。また、このＺｎＯを主成分とする半導体膜１２０、モニタ用トランジスタ半導体膜１９２には、真性の酸化物亜鉛の他に、必要に応じて、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、窒素（Ｎ）及び炭素（Ｃ）等のｐ型ドーパント及びホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のｎ型ドーパントがドーピングされた酸化亜鉛及びマグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などがドーピングされた酸化亜鉛を加えたものであってもよい。さらに、半導体膜１２０は、錫を添加した酸化インジウム（インジウム錫オキサイド：ＩＴＯ）、インジウム亜鉛オキサイド（ＩＺＯ）または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの酸化物半導体から形成されていてもよい。
なお、半導体膜１２０、モニタ用トランジスタ半導体膜１９２の膜厚は、諸条件により適宜選択されることが可能であって、特に、２０ｎｍ〜１００ｎｍ程度が好ましい。
半導体膜１２０における第１ドレイン電極１１１、ソース電極１１３との間の領域（I
）は第１電界効果トランジスタのチャンネル領域（I）として、また、半導体膜１２０に
おけるソース電極１１３、第２ドレイン電極１１２との間の領域（I I）は第２電界効果
トランジスタのチャンネル領域（II）として、それぞれ機能する。
また、モニタ用トランジスタ半導体膜１９２におけるモニタ用トランジスタドレイン電極１９１、モニタ用トランジスタソース電極１９３との間の領域はモニタ用トランジスタ
１９０のチャンネル領域（ｍ）として機能する。
基材１１０平面上において、第１ドレイン電極１１１、ソース電極１１３、第２ドレイン電極１１２、モニタ用トランジスタドレイン電極１９１、モニタ用トランジスタソース電極１９３は、積層方向に対して垂直となる水平方向で、所定の間隔をもって配置されるようにして形成されている。これら第１ドレイン電極１１１、ソース電極１１３、第２ドレイン電極１１２及びモニタ用トランジスタドレイン電極１９１、モニタ用トランジスタソース電極１９３は、半導体膜１２０及びモニタ用トランジスタ半導体膜１９２とのオーミック接触が得られるとともに、ゲート絶縁膜１３０を積層することが可能な導電膜で形成されたものであれば特に限定されるものではない。具体的には、アルミニウム、銅、インジウム錫オキサイド（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）などの導
電性のものから形成される。
なお、第１ドレイン電極１１１、ソース電極１１３、第２ドレイン電極１１２、モニタ用トランジスタドレイン電極１９１、モニタ用トランジスタソース電極１９３の膜厚は、諸条件により適宜選択されることが可能であって、特に、２０ｎｍ〜２００ｎｍ程度が好ましい。
ゲート絶縁膜１３０は、半導体膜１２０、第１ドレイン電極１１１、ソース電極１１３、第２ドレイン電極１１２、モニタ用トランジスタドレイン電極１９１、モニタ用トランジスタソース電極１９３を覆うように、半導体膜１２０、第１ドレイン電極１１１、ソース電極１１３、第２ドレイン電極１１２、モニタ用トランジスタドレイン電極１９１、モニタ用トランジスタソース電極１９３上に積層される。また、このゲート絶縁膜１３０は、層間絶縁膜１３５を積層することが可能な材料で形成されたものであれば特に限定されるものではない。具体的には、絶縁性の観点から、酸化珪素（ＳｉＯ2）、窒化珪素（ＳｉＮｘ）、窒化酸化珪素（ＳｉＯｘＮｙ）などのシリコン酸化物若しくはシリコン窒化物から形成される。特に、本実施形態のゲート絶縁膜１３０には、酸化珪素を用いるのが好ましい。なお、ゲート絶縁膜１３０の膜厚は、諸条件により適宜選択可能であって、特に、５０ｎｍから１μｍ程度が好ましい。
層間絶縁膜１３５は、ゲート電極１１４やゲート絶縁膜１３０を覆うようにして積層されるものであり、ポリイミドなどの有機系絶縁膜や、酸化珪素などの無機系絶縁膜のいずれも用いることが可能である。この層間絶縁膜１３５としては、感応膜１４０を積層することが可能な材料で形成されたものであれば特に限定されるものではない。
感応膜１４０は、ゲート絶縁膜１３０及び層間絶縁膜１３５の上に積層され、被検査液体Ｆ中に含まれるサンプル、すなわち、細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質を配置可能なものによって形成される。特に、感応膜１４０は、半導体膜１２０における第１電界効果トランジスタのチャンネル領域（I）の上に、被検査液体Ｆに含まれる
生体関連物質が配置されるための所定領域を有している。感応膜１４０上にはスリット状凹部１４５が形成されており、被検査液体Ｆが前記所定領域に滞留しやすい構造となっている。
また、感応膜１４０は、イオン感応膜であって、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）、シリコ
ン窒化膜（ＳｉＮ4）、タンタル酸化膜（Ｔａ2Ｏ5）または酸化アルミニウム膜（Ａｌ2Ｏ3）によって形成される。これらのイオン感応膜を測定したいイオン種に応じて適宜採用
すればよい。また必要に応じて、ＤＮＡタンパク質、糖鎖を固定化する為の表面修飾がなされていてもよい。
隔壁１５０は、感応膜１４０上であってスリット状凹部１４５の周囲に形成されており
、水溶液または培養液などの被検査液体Ｆを感応膜１４０上に滞留させるように積層方向に対して所定の高さを有している。隔壁１５０は、スリット状凹部１４５外に被検査液体Ｆを漏出させないための材料で形成されたものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、ガラス、プラスチックまたは金属によって形成されている。このように、本発明に係るカレントミラー型バイオセンサ１００は、隔壁１５０によって感応膜１４０上の被検査液体Ｆをスリット状凹部１４５の所定領域に滞留させることができるので、的確に被検査液体Ｆ中の生体関連物質の電気的特性を検出することができる。
本実施形態のカレントミラー型バイオセンサ１００は、上述のような構成を有することによって、被検査液体Ｆに含まれるサンプル、すなわち、細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質を感応膜１４０上に配置させることができるようになっている。
被検査液体Ｆを図示するように感応膜１４０に滞留させた上で、探針状の参照電極１１５を被検査液体Ｆ中にセットして、電流入力端子１０１に接続した定電流源により電流Ｉｉｎを適宜流すようにする。すると、所定の電流Ｉｉｎを電流入力端子１０１に流したとき、電流出力端子１０２に電流Ｉｏｕｔが流れるので、これによりＩｉｎ−Ｉｏｕｔ特性を取得して、もって被検査液体Ｆ中の生体関連物質の電気的特性を解析する。このような解析によって、被検査液体Ｆに含まれる生体関連物質の種別、量等を特定することができるようになっている。
以上、本発明に係るカレントミラー型バイオセンサ１００は、被検査液体Ｆの上部（基材１１０側と反対側）から光を照射して当該感応膜１４０に配置された生体関連物質を、基材１１０側から顕微鏡その他の光学観察機器によって観察することができるので、被検査液体Ｆの上部から感応膜１４０に配置された生体関連物質を観察する場合に比べて、当該生体関連物質における観察を高倍率に行うことができるとともに、生体関連物質の電気的特性の検出と当該生体関連物質における高倍率の観察とを両立させることができる。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図４は本発明の第２実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの構造の概略を示す図である。この図４は、第１実施形態における図１（Ｂ）に相当するものである。
本実施形態が第１実施形態と異なる点は、第２実施形態においては、感応膜１４０上において、親水性・疎水性を付与する処理がなされている点である。その他の構成については、第１実施形態と同一であるので、同一部材に対しては同一の符号を付してその説明を省略する。
すなわち、第２実施形態においては、感応膜１４０上の所定領域に対しては親水性を付与する処理が施され親水性領域１４１が形成されると共に、感応膜１４０上における前記所定領域以外の領域に対しては疎水性を付与する処理が施され疎水性領域１４２が形成される。このような各処理が施されているため、本実施形態によれば、感応膜１４０上の被検査液体Ｆをスリット状凹部１４５の所定領域に確実に滞留させることができるようになり、より的確に被検査液体Ｆ中の生体関連物質の電気的特性を検出することができるようになる。
第２実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサ１００においては、感応膜１４０上の所定領域は、親水性を発揮するための物質が塗布等によって形成され、親水性領域１４１とされる。一方、感応膜１４０上に形成された領域であって、被検査液体Ｆを滞留させるための所定領域の外周に沿った領域は、疎水性を発揮するための物質が塗布等によって形成され、疎水性領域１４２とされる。
所定領域は、感応膜１４０が親水性の物質によって形成されている場合に、他の物質を用いることなく、感応膜１４０の物質そのものによって代替することができる。また、所定領域は、上記に代えて、感応膜１４０の表面へ親水性の物質の塗布等、または、低親水性若しくは親水性を有する物質の塗布及びＵＶ照射等によって形成されてもよい。
疎水性領域１４２は、該当する感応膜１４０の表面の領域に疎水性の物質の塗布等、または、有機物などの疎水性を有する物質の塗布及び四フッ化メタンガスのプラズマを用いてプラズマ処理を行うことによって形成されている。例えば、本実施形態においては、親水性を有するシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）によって感応膜１４０が形成されている場合に
は、親水性領域１４１としては、当該シリコン酸化膜そのものによって形成し、疎水性領域１４２に相当する領域にレジストなどの有機物を塗布してプラズマ処理を行うことによって当該疎水性領域１４２を形成するようになっている。
本実施形態のようにカレントミラー型バイオセンサ１００の感応膜１４０上において、親水性・疎水性を付与する処理がなされていると、使用状況によっては、被検査液体Ｆを感応膜１４０に滞留させるための隔壁１５０などの部材を不要とすることも可能となるので、製造コストを抑制することが可能となる。
また、第２実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサ１００によっても、これまで説明してきた実施形態が享受する効果と同様のものを享受することが可能である。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図５は本発明の第３実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの構造の概略を示す図である。この図５は、第１実施形態における図１（Ｂ）に相当するものである。
本実施形態が第１実施形態と異なる点は、第３実施形態においては、感応膜１４０上において、細胞接着性・細胞接着阻害性を付与する処理がなされている点である。その他の構成については、第１実施形態と同一であるので、同一部材に対しては同一の符号を付してその説明を省略する。
すなわち、第３実施形態においては、感応膜１４０上の所定領域に対しては細胞接着性を付与する処理が施し細胞接着性領域１４３が形成されると共に、感応膜１４０上における前記所定領域以外の領域に対しては細胞接着阻害性を付与する処理が施され細胞接着阻害性領域１４４が形成される。このような各処理が施されているため、本実施形態によれば、感応膜１４０上における生体関連物質を含む被検査液体Ｆを、スリット状凹部１４５の所定領域に確実に滞留させることができるようになり、より的確に被検査液体Ｆ中の生体関連物質の電気的特性を検出することができるようになる。
本実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサ１００においては、感応膜１４０上の所定領域には細胞の接着性を有する細胞接着性領域１４３が形成され、前記所定領域以外の領域には、細胞の接着を阻害する細胞接着阻害性領域１４４が形成される。
すなわち、第３実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサ１００においては、感応膜１４０上の所定領域は、細胞を接着させる強度の高い物質によって形成されている細胞接着性領域１４３とされる。一方、感応膜１４０上に形成された領域であって、被検査液体Ｆを滞留させるための所定領域の外周に沿った領域は、細胞の接着を阻害する細胞接着阻害性領域１４４とされる。
なお、「細胞接着性」とは、細胞を接着する強度、すなわち細胞の接着しやすさを意味するとともに、細胞接着性領域１４３とは、細胞接着性が良好な領域を意味し、細胞接着
阻害性領域１４４とは、細胞の接着性が悪い領域を意味する。したがって、細胞接着性領域１４３と細胞接着阻害性領域１４４とがパターン化された基板上に細胞が含まれた被検査液体Ｆを滞留させると、細胞接着性領域１４３には細胞が接着するが、細胞接着阻害性領域１４４には細胞が接着しないため、細胞接着性領域１４３、すなわち、所定領域に細胞がパターン状に配列されることになる。
また、細胞接着性は、接着しようとする細胞によって異なる場合もあるため、細胞接着性が良好とは、ある種の細胞に対する細胞接着性が良好であることを意味する。したがって、感応膜１４０上には、複数種の細胞に対する複数の細胞接着性領域１４３が存在する場合、すなわち細胞接着性が異なる細胞接着性領域１４３が２水準以上存在する場合もある。
具体的には、細胞接着性領域１４３は、炭素酸素結合を有する有機化合物を含む細胞接着阻害性の親水性膜に酸化処理及び／または分解処理を施して細胞接着性とした膜で形成されている。この細胞接着性領域１４３は、感応膜１４０の表面全体に炭素酸素結合を有する有機化合物を含む細胞接着阻害性の親水性膜を形成し、次いで、細胞の接着が望まれる所定領域に対して酸化処理及び／または分解処理を施すことにより当該領域に細胞接着性を付与して細胞接着性領域１４３に改変する。なお、前記処理を施さない部分は細胞接着阻害性領域１４４である。
また、細胞接着性領域１４３は、炭素酸素結合を有する有機化合物を低密度で含む親水性膜で形成されていてもよい。この場合には、細胞接着性領域１４３は、炭素酸素結合を有する有機化合物を高密度で含む親水性膜が細胞接着阻害性を有するのに対して、前記化合物を低密度で含む親水性膜は細胞接着性を有することを利用したものである。なお、感応膜１４０の表面に前記化合物が結合しやすい第一領域と結合しにくい第二領域とを設け、該感応膜１４０の表面に前記化合物の膜を形成すると、第一領域は細胞接着阻害性領域１４４となり、第二領域は細胞接着性領域１４３となる。
一方、細胞接着阻害性領域１４４は、炭素酸素結合を有する有機化合物により形成される親水性膜により形成される。当該親水性膜は、水溶性や水膨潤性を有する、炭素酸素結合を有する有機化合物を主原料とする薄膜であり、酸化される前は細胞接着阻害性を有し、酸化及び／または分解された後は細胞接着性を有しているものであれば特に限定されない。この炭素酸素結合とは、炭素と酸素との間に形成される結合を意味し、単結合に限らず二重結合であってもよい。炭素酸素結合としてはＣ−Ｏ結合、Ｃ（＝Ｏ）−Ｏ結合、Ｃ＝Ｏ結合が挙げられる。
また、主原料としては、水溶性高分子、水溶性オリゴマー、水溶性有機化合物、界面活性物質、両親媒性物質等が挙げられ、これらが相互に物理的または化学的に架橋し、感応膜１４０と物理的または化学的に結合することにより親水性膜となる。具体的な水溶性高分子材料としては、ポリアルキレングリコール及びその誘導体、ポリアクリル酸及びその誘導体、ポリメタクリル酸及びその誘導体、ポリアクリルアミド及びその誘導体、ポリビニルアルコール及びその誘導体、双性イオン型高分子、多糖類、等を挙げることができる。分子形状は、直鎖状、分岐を有するもの、デンドリマー等を挙げることができる。より具体的には、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールとポリプロピレングリコールの共重合体、例えば、Ｐｌｕｔｏｎｉｃ Ｆ１０８、Ｐｌｕｔｏｎｉｃ Ｆ１２７、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）、ポリ（Ｎ−ビニル−２−ピロリドン）、ポリ（２−ヒドロキシエチルメタクリレート）、ポリ（メタクリロイルオキシエチルフォスフォリルコリン）、メタクリロイルオキシエチルフォスフォリルコリンとアクリルモノマーの共重合体、デキストラン、及びヘパリンが挙げられるがこれらに限定されない。具体的な水溶性オリゴマー材料や水溶性低分子化合物としては、アルキレングリコールオリゴマ
ー及びその誘導体、アクリル酸オリゴマー及びその誘導体、メタクリル酸オリゴマー及びその誘導体、アクリルアミドオリゴマー及びその誘導体、酢酸ビニルオリゴマーの鹸化物及びその誘導体、双性イオンモノマーからなるオリゴマー及びその誘導体、アクリル酸及びその誘導体、メタクリル酸及びその誘導体、アクリルアミド及びその誘導体、双性イオン化合物、水溶性シランカップリング剤、水溶性チオール化合物等を挙げることができる。より具体的には、エチレングリコールオリゴマー、（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）オリゴマー、メタクリロイルオキシエチルフォスフォリルコリンオリゴマー、低分子量デキストラン、低分子量ヘパリン、オリゴエチレングリコールチオール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、２−［メトキシ（ポリエチレンオキシ）−プロピルトリメトキシシラン、及びトリエチレングリコール−ターミネイティッド−チオールが挙げられるがこれらには限定されない。
なお、親水性膜は、処理前は高い細胞接着阻害性を有し、酸化処理及び／または分解処理後は弱い細胞接着性を示すものであることが望ましい。また、親水性膜の平均厚さは、０．８ｎｍ〜５００μｍが好ましく、０．８ｎｍ〜１００μｍがより好ましく、１ｎｍ〜１０μｍがより好ましく、１．５ｎｍ〜１μｍが最も好ましい。平均厚さが０．８ｎｍ以上であれば、タンパク質の吸着や細胞の接着において、基板表面の親水性薄膜で覆われていない領域の影響を受けにくいため好ましい。また、平均厚さが５００μｍ以下であればコーティングが比較的容易である。
以上のようなカレントミラー型バイオセンサ１００は、細胞接着性領域１４３に生体関連物質を結集させて細胞接着阻害性領域１４４に生体関連物質を存在させないことによって、電気的特性を検出する際に、細胞接着性領域１４３以外に存在する生体関連物質の影響を排除することができるとともに、細胞接着性領域１４３に接着された生体関連物質における電気的特性を的確に検出することができる。
また、本実施形態のようにカレントミラー型バイオセンサ１００の感応膜１４０上において、細胞接着性・細胞接着阻害性を付与する処理がなされていると、使用状況によっては、被検査液体Ｆを感応膜１４０に滞留させるための隔壁１５０などの部材を不要とすることも可能となるので、製造コストを抑制することが可能となる。
また、第３実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサ１００によっても、これまで説明してきた実施形態が享受する効果と同様のものを享受することが可能である。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図６は本発明の第４実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの構造の概略を示す図である。図６（Ａ）は第４実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサを上面側から見た図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）におけるＸ−Ｘ’断面を模式的に示す図である。また、図７は本発明の第４実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの回路構成を示す図である。
第１実施形態などにおける参照電極１１５は、参照電極接続用端子１０３に接続された探針状のもので、この探針状参照電極１１５を被検査液体Ｆ中に挿通させた状態で、被検査液体Ｆと電気的に導通させるようにして利用されるものであった。
これに対して、第４実施形態における参照電極１１５は、予め感応膜１４０上に設けられた膜状のものであり、隔壁１５０内に被検査液体Ｆが満たされると、参照電極１１５は被検査液体Ｆと接触して、電気的に導通するように構成されている。図７における第１電界効果トランジスタの回路図は、このような膜状の参照電極１１５と被検査液体Ｆとの関係を模式的に示したものである。
以上のような構成であるために、第４実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサ１００には、参照電極接続用端子１０３が設けられていない。また、第４実施形態における参照電極１１５は、スルーホールＴＨ０を介して感応膜１４０上に引き出させるようになっている。なお、その他の構成は、第１実施形態と同一であり、同一部材に対しては同一の符号を付している。
第４実施形態における参照電極１１５は、アルミニウム、銅、インジウム錫オキサイド（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）などの導通性の材料から形成さ
れる。
上記のような膜状の参照電極１１５が予め設けられた第４実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサ１００によれば、測定のためのセッティングなどが簡便となるために、バイオセンサによる測定プロセスの効率アップを図ることが可能となる。
また、第４実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサ１００によっても、これまで説明してきた実施形態が享受する効果と同様のものを享受することが可能である。
また、第４実施形態においても、先の実施形態と同様に、感応膜１４０上において、親水性・疎水性を付与する処理を行うようにしてもよいし、或いは、細胞接着性・細胞接着阻害性を付与する処理を行うようにしてもよい。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図８は本発明の第５実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの構造の概略を示す図である。この図８は、第１実施形態における図１（Ｂ）に相当するものである。
本実施形態のカレントミラー型バイオセンサ１００は、第１実施形態のソース電極及び第１、第２ドレイン電極における構造に、コプレーナ型を適用した点に特徴がある。
本実施形態のカレントミラー型バイオセンサ１００は、図８に示すように、基材１１０、基材１１０上に、領域（０）にわたって積層された半導体膜２２０と、半導体膜２２０に形成された第１ドレイン側拡散領域２２１、ソース側拡散領域２２２、第２ドレイン側拡散領域２２３と、第１ドレイン側拡散領域２２１と接続される第１ドレイン電極２１１と、ソース側拡散領域２２２と接続されるソース電極２１３と、第２ドレイン側拡散領域２２３と接続される第２ドレイン電極２１２と、半導体膜２２０を覆うように積層される絶縁膜２３０と、絶縁膜２３０上に積層されるゲート電極２１４、感応膜２４０と、感応膜２４０上に形成され、当該感応膜２４０上にサンプルが含まれる水溶液または培養液などの被検査液体Ｆを滞留させるための隔壁２５０と、を有している。
また、上記のバイオセンサの基本構成に加えて、モニタ用トランジスタ２９０に関連する構成として、領域（M）にわたって積層されたモニタ用トランジスタ半導体膜２９２と
、モニタ用トランジスタ半導体膜２９２に形成されたドレイン側拡散領域２９５、ソース側拡散領域２９７と、ドレイン側拡散領域２９５と接続されるモニタ用トランジスタドレイン電極２９１と、ソース側拡散領域２９７と接続されるモニタ用トランジスタソース電極２９３と、モニタ用トランジスタ半導体膜２９２を覆うように積層される絶縁膜２３０と、絶縁膜２３０上に積層されるモニタ用トランジスタゲート電極２９４と、を有している。
第１ドレイン側拡散領域２２１、ソース側拡散領域２２２、第２ドレイン側拡散領域２２３、ドレイン側拡散領域２９５、ソース側拡散領域２９７などの各拡散領域は、半導体に対してプラズマ処理（例えば、水素プラズマ、アルゴンプラズマ）の所定の処理を行う
ことによって低抵抗化することによって形成される。また、第１ドレイン側拡散領域２２１、ソース側拡散領域２２２、第２ドレイン側拡散領域２２３は絶縁膜２３０中に形成されたコンタクトホールを介して各電極３０と電気的に結合される。
第５実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサ１００によっても、これまで説明してきた実施形態が享受する効果と同様のものを享受することが可能である。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図９は本発明の第６実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサを上面図であり、図１０は図９におけるＡ−Ａ’断面を模式的に示す図である。
本実施形態のカレントミラー型バイオセンサ１００は、金属酸化物半導体を用いて構成した点に特徴がある。
本実施形態のカレントミラー型バイオセンサ１００は、図２３に示すように、ｐ型シリコン基板３２０と、ｐ型シリコン基板３２０上に構成されるｎ型半導体形成領域３２１、ｎ型半導体形成領域３２２、ｎ型半導体形成領域３２３などの各ｎ型半導体形成領域と、ｐ型シリコン基板３２０上に積層されるゲート絶縁膜３３０と、ゲート絶縁膜３３０上に積層されるゲート電極３１４、３１６と、ゲート絶縁膜３３０、ゲート電極３１４上に積層される層間絶縁膜３３５と、コンタクトホールを介してｎ型半導体形成領域３２１と導通する第１ドレイン電極３１１と、コンタクトホールを介してｎ型半導体形成領域３２２と導通するソース電極３１３と、コンタクトホールを介してｎ型半導体形成領域３２３と導通する第２ドレイン電極３１２と、第１ドレイン電極３１１、第２ドレイン電極３１２、ソース電極３１３、層間絶縁膜３３５上に積層される保護層３３９と、保護層３３９上に積層される感応膜３４０と、感応膜３４０上に形成され、当該感応膜３４０上にサンプルが含まれる水溶液または培養液などの被検査液体Ｆを滞留させるための隔壁（不図示）と、を有している。
また、本実施形態のカレントミラー型バイオセンサ１００は、上記のバイオセンサの基本構成に加えて、モニタ用トランジスタ３９０に関連する構成として、ｐ型シリコン基板３９２と、ｐ型シリコン基板３９２上に構成されるｎ型半導体形成領域３９５、ｎ型半導体形成領域３９７などの各ｎ型半導体形成領域と、ｐ型シリコン基板３９２上に積層されるゲート絶縁膜３３０と、ゲート絶縁膜３３０上に積層されるモニタ用トランジスタゲート電極３９４と、ゲート絶縁膜３３０、モニタ用トランジスタゲート電極３９４上に積層される層間絶縁膜３３５と、コンタクトホールを介してｎ型半導体形成領域３９５と導通するモニタ用トランジスタドレイン電極３９１と、コンタクトホールを介してｎ型半導体形成領域３９７と導通するモニタ用トランジスタゲート電極３９４と、を有している。
ｐ型シリコン基板３２０上のｎ型半導体形成領域３２１、ｎ型半導体形成領域３２２、ｎ型半導体形成領域３２３、ｎ型半導体形成領域３９５、ｎ型半導体形成領域３９７などの各ｎ型半導体形成領域は不純物注入によって構成され、ｎ型半導体形成領域３２１とｎ型半導体形成領域３２２との間の領域は、第１電界効果トランジスタチャンネル領域（I
）として機能し、ｎ型半導体形成領域３２２とｎ型半導体形成領域３２３との間の領域は、第２電界効果トランジスタチャンネル領域（II）として機能する。また、ｎ型半導体形成領域３９５とｎ型半導体形成領域３９７との間の領域は、モニタ用トランジスタチャンネル領域（ｍ）として機能する。
また、ゲート絶縁膜３３０としてはＳｉＯ2などのドライ酸化膜が、また、層間絶縁膜
３３５にはＳｉＯ2などのウエット酸化膜が、また、保護層３３９としてはＳｉ3Ｎ4など
の材質が用いられる。
以上のような第６実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサによっても、これまで説明してきた実施形態が享受する効果と同様のものを享受することが可能である。
また、第６実施形態においても、先の実施形態と同様に、感応膜１４０上において、親水性・疎水性を付与する処理を行うようにしてもよいし、或いは、細胞接着性・細胞接着阻害性を付与する処理を行うようにしてもよい。
また、第６実施形態においても、先の実施形態と同様に、膜状の参照電極を設けるように構成することも可能である。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。一般的に、バイオセンサによって、被検査液体中の細胞、ＤＮＡなどの生体関連物質の状態に関連した電気信号を取得する場合には、細胞またはＤＮＡの状態観察を顕微鏡で同時に行うことが重要となる。また、細胞等の状態観察は透過光により高倍率で行うことが望ましい。
これまで説明した実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサ１００は、ベース基板や、ソース、ドレインなどの各電極が前記透過光を遮断するような材質で構成されているために、感応膜１４０に配置された被検査液体に含まれる生体関連物質の観察が困難であった。
また、生体関連物質を高倍率で観察するためには、バイオセンサ上に配置された被検査液体と顕微鏡の対物レンズを接近させる必要があるが、イオン感応膜に配置された被検査液体をその上方（ベース基板の反対側）から観察する場合には、水溶液、培養液、その他の薬品など当該被検査液体に含まれる物質が観察するための阻害要因となり、顕微鏡の対物レンズを生体関連物質に接近させることが困難で、観察が難しい。そこで、ベース基板の反対側（上側）に設けた光源から光を照射し、ベース基板側（下側）から対物レンズを接近させて、生体関連物質の状態観察を行うことが考えられるが、これまで説明した実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサ１００は、ベース基板や、ソース、ドレインなどの各電極が前記光源からの照射光を遮断するような材質で構成されているために、被検査液体に含まれる生体関連物質の観察が困難であった。
以上のような問題に対処するために、第７実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサにおいては、少なくともＩＳＦＥＴとして利用されるトランジスタには、透明基板と、前記透明基板上に形成される透明半導体膜と、前記透明半導体膜と電気接続する透明電極とからなるように構成するものである。以下、第７実施形態について説明するが、参照図面としては図１乃至図３を用いる。
第７実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサ１００の積層構造について説明する。なお、各端子については図１（Ｂ）に示されていないが、各端子は適当な周知の方法によってセンサ内に組み込まれるようになっている。
基材１１０は、基材１１０の下部から感応膜１４０上部が観察することができるように、透明であって、半導体膜１２０、第１ドレイン電極１１１、第２ドレイン電極１１２、ソース電極１１３を積層することが可能な材料で形成されたものであれば特に限定されるものではない。この透明とは、顕微鏡などの観察機器を用いて基材１１０から感応膜１４０に配置された被検査液体Ｆ中の生体関連物質が観察することができる程度に透明であればよい。具体的には、ガラス等の無機材料、ＰＥＮまたはＰＥＴなどのプラスチック（ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ナイロン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、メチルペンテン樹脂
、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニル樹脂）で代表される有機材料を挙げることができる。本実施形態においては基材１１０の形状を平板としたが、基材１１０の形状はこれに限定されず、例えば、平膜、フィルム、多孔質膜等の平坦な形状や、シリンダ、スタンプ、マルチウェルプレート、マイクロ流路等の立体的な形状を採用することもできる。フィルムを使用する場合、その厚さは特に制限されないが、通常１μｍ〜１ｍｍ程度である。
なお、顕微鏡などの観察機器による観察を行うときには、被検査液体Ｆは、基材１１０、半導体膜１２０、ゲート絶縁膜１３０、感応膜１４０の４つの積層体が積層されてなる領域に置かれた上で、観察が行われることとなる。したがって、本発明に係るカレントミラー型バイオセンサ１００においては、基材１１０、半導体膜１２０、ゲート絶縁膜１３０、感応膜１４０の４つの積層体を通して可視光を透過させたときにおいても、観察機器で観察を行う上で十分な、所定の透過率が得られる程度に、それぞれの積層体の透過率を担保する必要がある。
半導体膜１２０は、第１ドレイン電極１１１、第２ドレイン電極１１２、ソース電極１１３を覆うようにして基材１１０上に積層されて形成されている。また、モニタ用トランジスタ半導体膜１９２は、モニタ用トランジスタドレイン電極１９１及びモニタ用トランジスタソース電極１９３を覆うようにして基材１１０上に積層されて形成されている。これら半導体膜１２０、モニタ用トランジスタ半導体膜１９２は、基材１１０の下部から感応膜１４０が観察することができるように、透明であって、ゲート絶縁膜１３０を積層することが可能な材料で形成されたものであれば特に限定されるものではない。また、この透明とは、基材１１０と同様に、顕微鏡などの観察機器を用いて基材１１０から感応膜１４０に配置された被検査液体Ｆ中の生体関連物質が観察することができる程度に透明であればよい。
具体的には、半導体膜１２０、モニタ用トランジスタ半導体膜１９２は、ＩｎＭＺｎＯ（Ｍはガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）のうち少なくとも１種）を主成分とするアモルファス酸化物によって形成される。特に、ＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物が好ましい。また、このＩＧＺＯを主成分とする半導体膜１２０には、必要に応じて、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｎ等を構成元素として加えたものであってもよい。ＩＧＺＯ半導体膜など半導体膜１２０は、室温から１５０℃程度の低温での製膜が可能であることから、耐熱性に乏しいプラスチック基板やガラス基板に対して好ましく適用できる。
また、半導体膜１２０、モニタ用トランジスタ半導体膜１９２は、酸化物亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする酸化物半導体から形成されていてもよい。また、このＺｎＯを主成分とする半導体膜１２０、モニタ用トランジスタ半導体膜１９２には、真性の酸化物亜鉛の他に、必要に応じて、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、窒素（Ｎ）及び炭素（Ｃ）等のｐ型ドーパント及びホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のｎ型ドーパントがドーピングされた酸化亜鉛及びマグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などがドーピングされた酸化亜鉛を加えたものであってもよい。さらに、半導体膜１２０は、錫を添加した酸化インジウム（インジウム錫オキサイド：ＩＴＯ）、インジウム亜鉛オキサイド（ＩＺＯ）または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの酸化物半導体から形成されていてもよい。
なお、半導体膜１２０、モニタ用トランジスタ半導体膜１９２の膜厚は、諸条件により適宜選択されることが可能であって、特に、２０ｎｍ〜１００ｎｍ程度が好ましい。
半導体膜１２０における第１ドレイン電極１１１、ソース電極１１３との間の領域（I
）は第１電界効果トランジスタのチャンネル領域（I）として、また、半導体膜１２０に
おけるソース電極１１３、第２ドレイン電極１１２との間の領域（I I）は第２電界効果
トランジスタのチャンネル領域（II）として、それぞれ機能する。
また、モニタ用トランジスタ半導体膜１９２におけるモニタ用トランジスタドレイン電極１９１、モニタ用トランジスタソース電極１９３との間の領域はモニタ用トランジスタ１９０のチャンネル領域（ｍ）として機能する。
基材１１０平面上において、第１ドレイン電極１１１、ソース電極１１３、第２ドレイン電極１１２、モニタ用トランジスタドレイン電極１９１、モニタ用トランジスタソース電極１９３は、積層方向に対して垂直となる水平方向で、所定の間隔をもって配置されるようにして形成されている。これら第１ドレイン電極１１１、ソース電極１１３、第２ドレイン電極１１２及びモニタ用トランジスタドレイン電極１９１、モニタ用トランジスタソース電極１９３は、半導体膜１２０及びモニタ用トランジスタ半導体膜１９２とのオーミック接触が得られるとともに、基材１１０の下部から感応膜１４０が観察することができるように、透明電極であって、ゲート絶縁膜１３０を積層することが可能な導電膜で形成されたものであれば特に限定されるものではない。また、この透明とは、基材１１０と同様に、顕微鏡などの観察機器を用いて基材１１０から感応膜１４０に配置された被検査液体Ｆ中の生体関連物質が観察することができる程度に透明であればよい。具体的には、インジウム錫オキサイド（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）などの
導電性のものから形成される。
なお、第１ドレイン電極１１１、ソース電極１１３、第２ドレイン電極１１２、モニタ用トランジスタドレイン電極１９１、モニタ用トランジスタソース電極１９３の膜厚は、諸条件により適宜選択されることが可能であって、特に、２０ｎｍ〜２００ｎｍ程度が好ましい。
ゲート絶縁膜１３０は、半導体膜１２０、第１ドレイン電極１１１、ソース電極１１３、第２ドレイン電極１１２、モニタ用トランジスタドレイン電極１９１、モニタ用トランジスタソース電極１９３を覆うように、半導体膜１２０、第１ドレイン電極１１１、ソース電極１１３、第２ドレイン電極１１２、モニタ用トランジスタドレイン電極１９１、モニタ用トランジスタソース電極１９３上に積層される。また、このゲート絶縁膜１３０は、基材１１０の下部から感応膜１４０が観察することができるように、透明であって、層間絶縁膜１３５を積層することが可能な材料で形成されたものであれば特に限定されるものではない。具体的には、絶縁性の観点から、酸化珪素（ＳｉＯ2）、窒化珪素（ＳｉＮｘ）、窒化酸化珪素（ＳｉＯｘＮｙ）などのシリコン酸化物若しくはシリコン窒化物から形成される。特に、本実施形態のゲート絶縁膜１３０には、酸化珪素を用いるのが好ましい。なお、ゲート絶縁膜１３０の膜厚は、諸条件により適宜選択可能であって、特に、５０ｎｍから１μｍ程度が好ましい。
層間絶縁膜１３５は、ゲート電極１１４やゲート絶縁膜１３０を覆うようにして積層されるものであり、ポリイミドなどの有機系絶縁膜や、酸化珪素などの無機系絶縁膜のいずれも用いることが可能であるが、基材１１０の下部から感応膜１４０上が観察することができるように、透明であって、感応膜１４０を積層することが可能な材料で形成されたものであれば特に限定されるものではない。
感応膜１４０は、ゲート絶縁膜１３０及び層間絶縁膜１３５の上に積層され、被検査液体Ｆ中に含まれるサンプル、すなわち、細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質を配置可能なものによって形成される。特に、感応膜１４０は、半導体膜１２０における第１電界効果トランジスタのチャンネル領域（I）の上に、被検査液体Ｆに含まれる
生体関連物質が配置されるための所定領域を有している。感応膜１４０上にはスリット状凹部１４５が形成されており、被検査液体Ｆが前記所定領域に滞留しやすい構造となっている。
また、感応膜１４０は、イオン感応膜であって、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）、シリコ
ン窒化膜（ＳｉＮ4）、タンタル酸化膜（Ｔａ2Ｏ5）または酸化アルミニウム膜（Ａｌ2Ｏ3）によって形成される。これらのイオン感応膜を測定したいイオン種に応じて適宜採用
すればよい。また必要に応じて、ＤＮＡタンパク質、糖鎖を固定化する為の表面修飾がなされていてもよい。
隔壁１５０は、感応膜１４０上であってスリット状凹部１４５の周囲に形成されており、水溶液または培養液などの被検査液体Ｆを感応膜１４０上に滞留させるように積層方向に対して所定の高さを有している。隔壁１５０は、スリット状凹部１４５外に被検査液体Ｆを漏出させないための材料で形成されたものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、ガラス、プラスチックまたは金属によって形成されている。このように、本発明に係るカレントミラー型バイオセンサ１００は、隔壁１５０によって感応膜１４０上の被検査液体Ｆをスリット状凹部１４５の所定領域に滞留させることができるので、的確に被検査液体Ｆ中の生体関連物質の電気的特性を検出することができる。
本実施形態のカレントミラー型バイオセンサ１００は、上述のような構成を有することによって、被検査液体Ｆに含まれるサンプル、すなわち、細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質を感応膜１４０上に配置させることができるようになっている。
被検査液体Ｆを図示するように感応膜１４０に滞留させた上で、探針状の参照電極１１５を被検査液体Ｆ中にセットして、電流入力端子１０１に接続した定電流源により電流Ｉｉｎを適宜流すようにする。すると、所定の電流Ｉｉｎを電流入力端子１０１に流したとき、電流出力端子１０２に電流Ｉｏｕｔが流れるので、これによりＩｉｎ−Ｉｏｕｔ特性を取得して、もって被検査液体Ｆ中の生体関連物質の電気的特性を解析する。このような解析によって、被検査液体Ｆに含まれる生体関連物質の種別、量等を特定することができるようになっている。
カレントミラー型バイオセンサ１００による被検査液体Ｆの電気特性の取得と並行して、被検査液体Ｆの上部（基材１１０側と反対側）から光を照射して当該感応膜１４０に配置された生体関連物質を、基材１１０側から顕微鏡その他の光学観察機器によって観察することができる。特に、透過光を利用した倒立型顕微鏡を用いる場合には、対物レンズを感応膜１４０に配置された生体関連物質に接近させることができる。なお、必要に応じて明視野観察の他に位相差顕微鏡、微分干渉顕微鏡等を用いることも可能である。したがって、感応膜１４０上の所定領域に配置された生体関連物質の電気的特性の検出と、当該生体関連物質における高倍率の観察とを両立させることができるようになっている。
以上、本発明の第７実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサ１００は、被検査液体Ｆの上部（基材１１０側と反対側）から光を照射して当該感応膜１４０に配置された生体関連物質を、基材１１０側から顕微鏡その他の光学観察機器によって観察することができるので、被検査液体Ｆの上部から感応膜１４０に配置された生体関連物質を観察する場合に比べて、当該生体関連物質における観察を高倍率に行うことができるとともに、生体関連物質の電気的特性の検出と当該生体関連物質における高倍率の観察とを両立させることができる。
以上のような第７実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサによっても、これまで説明してきた実施形態が享受する効果と同様のものを享受することが可能である。
また、第７実施形態においても、先の実施形態と同様に、感応膜１４０上において、親水性・疎水性を付与する処理を行うようにしてもよいし、或いは、細胞接着性・細胞接着阻害性を付与する処理を行うようにしてもよい。
また、第７実施形態においても、先の実施形態と同様に、膜状の参照電極を設けるように構成することも可能である。
図１１は本発明の第１実施形態に係るカレントミラー型バイオセンサの構成に基づくシミュレーション結果を示す図である。図１１（Ａ）はｐＨを０〜１０まで変化させたときの、入力電量Ｉｉｎと出力電流Ｉｏｕｔとの関係を示す図であり、図１１（Ｂ）はＩｉｎが２０μＡである時の、ｐＨ変化に伴う出力電流Ｉｏｕｔの変化を示す図である。例えば、図１１（Ｂ）によれば、０〜１０まで変化を７μＡ幅の出力電流の変化によって検出することが可能であることがわかる。
以上説明したように、本発明のカレントミラー型バイオセンサ１００においては、カレントミラー回路を構成する２つのトランジスタとは独立したモニタ用トランジスタを備えており、前記２つのトランジスタのうちＩＳＦＥＴとして利用されないトランジスタと、前記モニタ用トランジスタとがカレントミラー回路を構成するようになっている。
前記２つのトランジスタが構成するカレントミラー回路と、ＩＳＦＥＴとして利用されないトランジスタと前記モニタ用トランジスタとが構成するカレントミラー回路とを比較すれば、トランジスタ間の距離の観点からは、後者のカレントミラー回路の方が良好な特性を得るためには不利な条件となる。より不利な条件で構成された後者のカレントミラー回路で、モニタテストを行い、ある一定以上の特性を得ることができれば、前者のカレントミラー回路でも問題のない特性を得ることができるもの推定することができる。
以上のような本発明のカレントミラー型バイオセンサ１００によれば、ＩＳＦＥＴとして利用されないトランジスタと前記モニタ用トランジスタとが構成するカレントミラー回路を用いてモニタテストを行うことで、バイオセンサをなす２つのトランジスタが構成するカレントミラー回路がある一定以上の特性を満足することを確認可能となり、バイオセンサの信頼性を高めることが可能となる。
１００・・・カレントミラー型バイオセンサ
１０１・・・電流入力端子
１０２・・・電流出力端子
１０３・・・参照電極接続用端子
１０４・・・接地端子
１０５・・・モニタ用端子
１１０・・・基材
１１１・・・第１ドレイン電極
１１２・・・第２ドレイン電極
１１３・・・ソース電極
１１４・・・ゲート電極
１１５・・・参照電極
１２０・・・半導体膜
１３０・・・ゲート絶縁膜
１３５・・・層間絶縁膜
１４０・・・感応膜
１４１・・・親水性領域
１４２・・・疎水性領域
１４３・・・細胞接着性領域
１４４・・・細胞接着阻害性領域
１４５・・・スリット状凹部
１５０・・・隔壁
１９０・・・モニタ用トランジスタ
１９１・・・モニタ用トランジスタドレイン電極
１９２・・・モニタ用トランジスタ半導体膜
１９３・・・モニタ用トランジスタソース電極
１９４・・・モニタ用トランジスタゲート電極
２１０・・・基材
２２０・・・半導体膜
２１１・・・第１ドレイン電極
２１２・・・第２ドレイン電極
２１３・・・ソース電極
２１４・・・ゲート電極
２１５・・・参照電極
２２１・・・第１ドレイン側拡散領域
２２２・・・ソース側拡散領域
２２３・・・第２ドレイン側拡散領域
２３０・・・絶縁膜
２４０・・・感応膜
２４５・・・スリット状凹部
２５０・・・隔壁
２９１・・・モニタ用トランジスタドレイン電極
２９２・・・モニタ用トランジスタ半導体膜
２９３・・・モニタ用トランジスタソース電極
２９４・・・モニタ用トランジスタゲート電極
２９５・・・ドレイン側拡散領域
２９７・・・ソース側拡散領域
３１１・・・第１ドレイン電極
３１２・・・第２ドレイン電極
３１３・・・ソース電極
３１４・・・ゲート電極
３１６・・・ゲート電極
３２０・・・ｐ型シリコン基板
３２１・・・ｎ型半導体形成領域
３２２・・・ｎ型半導体形成領域
３２３・・・ｎ型半導体形成領域
３３０・・・ゲート絶縁膜
３３５・・・層間絶縁膜
３３９・・・保護層
３４０・・・イオン感応膜
３４５・・・スリット状凹部
３９１・・・モニタ用トランジスタドレイン電極
３９２・・・ｐ型シリコン基板
３９３・・・モニタ用トランジスタソース電極
３９４・・・モニタ用トランジスタゲート電極
３９５・・・ｎ型半導体形成領域
３９７・・・ｎ型半導体形成領域
Ｓ・・・バイオセンシングエリア
Ｆ・・・被検査液体
ＴＨ（ｎ）・・・スルーホール
（I）・・・第１電界効果トランジスタチャンネル領域
（II）・・・第２電界効果トランジスタチャンネル領域
（ｍ）・・・モニタ用トランジスタトランジスタチャンネル領域

Claims (10)

  1. ＭＯＳタイプの２つのトランジスタによってカレントミラー回路が構成されると共に、前記２つのトランジスタのうち、一方のトランジスタがＩＳＦＥＴとして利用され、他方のトランジスタがＩＳＦＥＴとして利用されないカレントミラー型バイオセンサにおいて、
    前記２つのトランジスタとは独立したモニタ用トランジスタを備えており、前記２つのトランジスタのうちＩＳＦＥＴとして利用されないトランジスタと、前記モニタ用トランジスタとがカレントミラー回路を構成することを特徴とするカレントミラー型バイオセンサ。
  2. ＩＳＦＥＴとして利用されるトランジスタは感応膜をさらに有し、前記感応膜上における所定領域に被検査物質が配置されることを特徴とする請求項１に記載のカレントミラー型バイオセンサ。
  3. 前記感応膜と接触しない探針状の参照電極を有し、前記探針状の参照電極が前記被検査物質と接触する請求項２に記載のカレントミラー型バイオセンサ。
  4. 前記感応膜上に設けられた膜状の参照電極を有し、前記膜状の参照電極が前記被検査物質と接触する請求項２に記載のカレントミラー型バイオセンサ。
  5. 前記ＩＳＦＥＴとして利用されるトランジスタは感応膜をさらに有し、前記感応膜上には被検査物質を配置する所定領域が設けられることを特徴とする請求項１に記載のカレントミラー型バイオセンサ。
  6. 前記感応膜と接触しない探針状の参照電極をさらに有することを特徴とする請求項５に記載のカレントミラー型バイオセンサ。
  7. 前記感応膜上に設けられた膜状の参照電極をさらに有することを特徴とする請求項５に記載のカレントミラー型バイオセンサ。
  8. 前記所定領域が親水性を示すと共に、前記感応膜上における前記所定領域以外の領域に疎水性を示す領域が含まれていることを特徴とする請求項２乃至請求項７のいずれかに記載のカレントミラー型バイオセンサ。
  9. 前記所定領域が細胞接着性を示すと共に、前記感応膜上における前記所定領域以外の領域に細胞接着阻害性を示す領域が含まれていることを特徴とする請求項２乃至請求項７のいずれかに記載のカレントミラー型バイオセンサ。
  10. 前記ＩＳＦＥＴとして利用されるトランジスタを構成する半導体膜及び電極膜が透明であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のカレントミラー型バイオセンサ。
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