JP6656507B2 - バイオセンサ及び検出装置 - Google Patents
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Description
以下の各実施形態では、TFTを用いて構成されたバイオセンサについて説明するので、バイオセンサをTFTバイオセンサと呼ぶ。
図1は、第一の実施形態のTFTバイオセンサ101を示す断面図である。
なお、イオン感応絶縁膜14の単位面積当たりの静電容量がゲート絶縁膜(熱酸化膜10)の単位面積当たりの静電容量よりも大きくなっている。更に、TFTバイオセンサ101は、イオン感応絶縁膜14及び保護絶縁膜15から空間的に離れた位置に、基質特性を有する酵素19を一面に配置した第二の絶縁性基板18を備える。このとき、TFTを形成されたシリコン基板11と第二の絶縁性基板18(酵素19)は図1に示したとおり対向させる構造が望ましいが、二次元的に配置しても良い。
シリコン基板11と第二の絶縁性基板18との間の空間にセンシング対象物質16を含む溶液が満たされる。保護絶縁膜15はイオン感応絶縁膜14の上面の、半導体活性層12のチャネル領域と重なる領域以外の領域を被覆している。イオン感応絶縁膜14は、保護絶縁膜15に被覆されていない領域を有する。イオン感応絶縁膜14は、この領域でセンシング対象物質16を含む溶液と接する。
また、酵素反応により生成した水素イオンの拡散を早め、TFTセンサの応答性を向上させるため、イオン感応絶縁膜14と第二の絶縁性基板18との間隔は可能な限り狭めた方が良い。イオン感応絶縁膜14は、センシング対象物質16を含む溶液と接触する界面において、所定のイオンに感応して当該界面の電位を変動させる性質を有する。イオン感応絶縁膜14は、「ion-sensitive insulator」、「pH-sensitive transducer」とも呼ばれる。
次に、第一の実施形態を更に具体化した実施例1を、図1に基づき説明する。まず、実施例1のTFTバイオセンサ101の製造方法について説明する。
TFTバイオセンサ101の製造装置(以下、製造装置と記す)は、シリコン基板11に熱酸化膜10を200nmの膜厚で形成する。熱酸化膜10の代わりに、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法やスパッタ法により成膜された酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などを用いても良い。なお、製造装置という用語は、スパッタやCVD等の成膜装置、有機物の塗布機、アニール炉など、バイオセンサを製造するために必要となる個別装置の総称として用いている。
このようなTFTをセンシング対象物質16を含むリン酸緩衝生理食塩水に浸漬させる。このとき、イオン感応絶縁膜14の露出した領域は、リン酸緩衝生理食塩水と接する。なお、リン酸緩衝生理食塩水は、前記した溶液の一例である。また、飽和KCl溶液で満たされたAg/AgCl電極を参照電極17として使用し、対象物質16を含むリン酸緩衝生理食塩水に同時に浸漬させる。
固定後の酵素19は、pH6.5,0.1mol/Lのリン酸緩衝液に浸漬され、4℃で保存される。製造装置は、酵素19を固定した第二の絶縁性基板18を、センシング対象物質16を含むリン酸緩衝生理食塩水に浸漬させる。ここで、第二の絶縁性基板18は、TFTを形成したシリコン基板11に対向している。このとき、第二の絶縁性基板18とシリコン基板11間の距離を制御するため、スペーサーを介して両者を貼り合わせも良い。リン酸緩衝生理食塩水は、酵素19の至適環境であるpH6.8、液温37℃に調整されている。
β−D−グルコース + O2 → D−グルコノ−δ−ラクトン + H2 O2
(触媒:グルコースオキシダーゼ)
このとき、生成するD−グルコノ−δ−ラクトンは加水分解によりグルコン酸に変化し、グルコン酸のpKa(酸解離定数)は約3.8であるため、溶液のpH変化をもたらすことになる。このpH変化は、液中のグルコース濃度に比して増加するため、pH変化に起因するTFTバイオセンサ101のVg−Id特性シフトからグルコース濃度を測定することができる。
実施例1のTFTバイオセンサ101は、イオン感応絶縁膜14上にセンシング対象物質16を配置した際に、イオン感応絶縁膜14とセンシング対象物質16との間に発生した電位差(界面に発生した電気二重層電位に対応)を、イオン感応絶縁膜14の単位面積当たりの静電容量をゲート絶縁膜(熱酸化膜10)の単位面積当たりの静電容量で除した比の値により増幅して検出する検出部を有する。検出部は、例えば、イオン感応絶縁膜14上に発生した電位差に、前記静電容量の比の値を乗じた電位差を読み取る。水素イオン濃度の変化に対する電気二重層電位の変化の最大値は59mV/pHであるが、本実施例1では、イオン感応絶縁膜14の単位面積当たりの静電容量をゲート絶縁膜(熱酸化膜10)の単位面積当たりの静電容量で除した比の値が1よりも大きいため、59mV/pHよりも高い感度を実現することができる。つまり、本実施例1のTFTバイオセンサ101は、59mV/pHよりも高いpH感度を有するバイオセンサである。
空間的に離れた位置に生体分子認識機構を有する意義は、前述の高感度化を実現するための構成を損なわない点にある。イオン感応膜に生体高分子を固定し、イオン感応膜上に生体分子認識機構を付与した場合、イオン感応膜と固定化した生体高分子の単位面積当たりの静電容量をゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量で除した比の値によりpH感度が決まる。一般に生体高分子の静電容量は、イオン感応絶縁膜に比して非常に小さい。そのため、溶液とイオン感応絶縁膜14とが接する領域の一面に生体高分子を固定した場合、本実施の形態の原理に基づく高感度化を実現するのが困難になる。
更に、pH測定部から独立した生体物質認識部位を有する利点は、両者が相互に機能阻害することを抑制できる点にある。生体物質認識においては、pH測定機能を阻害すること無く、生体高分子固定部の大面積化、厚膜化を図ることができ、酵素反応、分子認識反応を効率的に進行させることが可能となる。よって、実施例1のTFTバイオセンサ101では、高感度な界面電位検出機能を有しつつ、生体分子認識機構の効率化を図ることで、低濃度生体物質の測定への適用が可能となる。
本実施例の効果は、決してネルンスト理論を否定するものではなく、ネルンスト理論に従ってイオン感応絶縁膜14の表面に発生した電気二重層電位差が、ボトムゲート電界とトップゲート電界との相互作用を通じて“増幅”される結果である。この増幅効果は、イオン感応絶縁膜14の単位面積当たりの静電容量をゲート絶縁膜(熱酸化膜10)の単位面積当たりの静電容量より大きくすることで実現される。この効果は、外部回路による増幅に依存せず、各種の揺らぎに影響されることなくTFTバイオセンサ101自身の本来的な高感度化を実現するので、関連技術の課題を解決することができる。
また、第二の絶縁性基板18及び酵素19を交換できる機能は、異なる酵素への入れ替えが可能であることと同義である。この交換機能により、単一の構成で異なる項目を測定できるバイオセンサを提供することができる。
以上説明したように、本実施の形態のイオンセンサは、イオン感応絶縁膜14の表面に発生した電気二重層電位を増幅して検出できる。そのため、微小な水素イオン濃度変化、即ちpH変化を検出することができる。さらに、pHセンシング部単位面積当たりの酵素量を増やすことできる。そのため、酵素反応によるpH変化量を大きくすることができ、生体物質の検出感度を高くすることができる。
図3は、第二の実施形態のTFTバイオセンサ201を示す断面図である。
第二の実施形態のTFTバイオセンサ201は、第一の実施形態のTFTバイオセンサ101と同様に、ソース電極13s及びドレイン電極13dが接続された半導体活性層12を備える。また、半導体活性層12の一方の面(第一の面、図3では下面)には、ゲート絶縁膜としての熱酸化膜10及びゲート電極としてのシリコン基板11が設けられている。また、半導体活性層12の他方の面(第二の面、図3では上面)には、イオン感応絶縁膜14及び保護絶縁膜15が設けられている。また、TFTバイオセンサ201は、イオン感応絶縁膜14及び保護絶縁膜15から空間的に離れた位置に参照電極17を備える。なお、イオン感応絶縁膜14の単位面積当たりの静電容量がゲート絶縁膜(熱酸化膜10)の単位面積当たりの静電容量よりも大きくなっている。更に、TFTバイオセンサ201では、前記イオン感応絶縁膜14の表面(上面)の保護絶縁膜15に被覆されていない領域のうち、イオン感応絶縁膜14の下面が半導体活性層12と接する領域の直上を除く部位に酵素19が固定されている。
次に、第二の実施形態を更に具体化した実施例2を、図3及び図4に基づき説明する。図4は、図3のTFTバイオセンサ201の一部の模式図である。図4、図5における符号A1〜A4は、領域を示す符号であり、物質(半導体活性層12、イオン感応絶縁膜14、酵素19など)を示す符号ではない。
実施例2のTFTバイオセンサ201の製造装置は、シリコン基板11に熱酸化膜10を200nmの膜厚で形成する。熱酸化膜10の代わりに、プラズマCVD法やスパッタ法により成膜された酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などを用いても良い。
以上説明したように、イオン感応絶縁膜14は、第一の領域A1以外の周縁部分が保護絶縁膜15により覆われている。半導体活性層12の第二の面(図4では上面)は、イオン感応絶縁膜14と接する第二の領域A2を有する。第一の領域A1は、第二の領域A2と重なる第三の領域A3と、第三の領域A3以外の第四の領域A4とを有する。酵素19は、第四の領域A4に固定される。イオン感応絶縁膜14は、第三の領域A3で溶液と接する。
第四の領域A4はTFTのソースドレイン電極上に位置しており、この領域の電位変化は感度に影響を与えない。従って、この感度に影響を与えない領域A4を酵素19の領域として有効活用できる。
次に第二の実施形態の変形例として実施例3を、図5を用いて説明する。図5は、実施例3のTFTバイオセンサ301を示す断面図である。
図6は、第三の実施形態のTFTバイオセンサ401を示す断面図である。
第二のゲート絶縁膜24の単位面積当たりの静電容量が第一のゲート絶縁膜(熱酸化膜10)の単位面積当たりの静電容量よりも大きくなっている。第二のゲート電極25は、第二のゲート絶縁膜24上面の半導体活性層12と重なる領域を含み、この領域から二次元方向に(図6では右方向に)延長して配置されている。すなわち、第二のゲート電極25は、第二のゲート絶縁膜24上に設けられ、半導体活性層12と重なる領域から二次元的に離れた位置まで延長されている。
また、第二のゲート電極25は、延長端側の上面に酵素19が固定されており、酵素19が固定された領域以外は保護絶縁膜15で被覆されている。酵素19は、溶液内の物質と反応することで第二のゲート電極25に印加される電圧を変調させる。
更に、TFTバイオセンサ401は、第二のゲート電極25上に固定化された酵素19及び保護絶縁膜15から空間的に離れた位置に参照電極17を備えている。溶液に含まれるセンシング対象物質16は、第二のゲート電極25及び酵素19上に配置され、参照電極17から電圧が第二のゲート電極25に印加される。このとき、TFTバイオセンサ401に印加される実効的なゲート電圧は、参照電極17の電圧に、第二のゲート絶縁膜24上で進行する酵素反応の酸化還元電位を加えた値となり、この実効ゲート電圧に起因するトップチャネルを半導体活性層12に誘起する。
実施例3のようにイオン感応絶縁膜14上に酵素19を間欠的に配置することで、酵素19の実効的な表面積を広くすることができるとともに、イオン感応絶縁膜14とセンシング対象物質16との接触が確保される。その結果、感度の向上効果が得られる。
次に、第三の実施形態を更に具体化した実施例4を、図6に基づき説明する。
実施例4の構成では、TFTのチャネル上は保護絶縁膜15で覆われているため、チャネル部へのセンシング対象物質16(被検液など)の侵入を抑制できる。その結果、信頼性が向上する。
図7は、第四の実施形態のTFTバイオセンサ501を示す断面図である。
第二のゲート電極25は、第二のゲート絶縁膜24上面の半導体活性層12と重なる領域を含み、この領域から二次元方向に(図7では右方向に)延長して配置されている。すなわち、第二のゲート電極25は、第二のゲート絶縁膜24上に設けられ、半導体活性層12と重なる領域から二次元的に離れた位置まで延長されている。
イオン感応絶縁膜14は、第二のゲート電極25の上面に設けられている。また、イオン感応絶縁膜14は、半導体活性層12と重なる領域とは反対側の領域の上面に酵素19が固定されており、酵素19が固定された領域以外は保護絶縁膜15で被覆されている。更に、TFTバイオセンサ501は、イオン感応絶縁膜14上に固定化された酵素19及び保護絶縁膜15から空間的に離れた位置に参照電極17を備えている。センシング対象物質16は、イオン感応絶縁膜14及び酵素19上に配置され、参照電極17から電圧が第二のゲート電極25に印加される。参照電極17の電位は、酵素19の反応により引き起こされる電位変化を重畳して第二のゲート電極25に伝わり、第二のゲート絶縁膜24を介して半導体活性層12にトップチャネルを誘起する。
次に、第四の実施形態を更に具体化した実施例5を、図7に基づき説明する。
実施例4に対して実施例5では、酵素19と第二のゲート電極25との間にイオン感応絶縁膜14が存在している。この絶縁膜14の存在によりセンシング対象物質16と第二のゲート電極25との間の電気的ショートを抑制でき更に信頼性を向上できる。
次に、第四の実施形態の変形例である実施例6を、図8に基づき説明する。図8は、実施例6のTFTバイオセンサ601を示す断面図である。
次に、製造装置は、イオン感応絶縁膜14の上に、フォトレジストをパターニングする。この時用いるフォトレジストはリフトオフ専用レジストが望ましいが、アセトン等の有機溶剤で容易に除去できるものであれば良い。そして、製造装置は、アルコール脱水素酵素を溶解されたpH6.8のリン酸緩衝液をパターニングされたフォトレジスト上に塗布する。塗布方法としては、溶液の粘度に応じてスピンコート、ディッピング、ポッティングを選択できる。その後、製造装置は、パターニングされたフォトレジストをアセトンで除去し、パターニングされた酵素19を形成する。酵素19は、イオン感応絶縁膜14の所定領域に一定間隔またはランダムに設けられる。
続いて、製造装置は、酵素19がパタン形成されたイオン感応絶縁膜14の一部の領域を残し、それ以外の領域をシリコン樹脂からなる保護絶縁膜15で被覆する。以上の工程により、TFTを界面電位検出機構、アルコール脱水素酵素を生体分子認識機構に用いた、アルコール濃度の測定が可能なTFTバイオセンサ601を提供することができる。
実施例5に対して実施例6では、実施例3と同様にイオン感応絶縁膜14上に酵素19が間欠的に配置され、酵素19の実効的な表面積を広くすることができるとともに、イオン感応絶縁膜14とセンシング対象物質16との接触が確保される。その結果、感度の向上効果が得られる。
図9は、第五の実施形態のTFTバイオセンサ701を示す断面図である。
第二のゲート絶縁膜24の単位面積当たりの静電容量が第一のゲート絶縁膜(熱酸化膜10)の単位面積当たりの静電容量よりも大きくなっている。なお、第二のゲート絶縁膜24の上面に対する第二のゲート電極25及びイオン感応絶縁膜14の位置は、実施例5,6と同様である。また、イオン感応絶縁膜14は、半導体活性層12と重なる領域とは反対側の所定の領域(図面右側参照)が露出され、それ以外の領域が保護絶縁膜15で被覆されている。
次に、第五の実施形態を更に具体化した実施例7を、図9に基づき説明する。
図10及び図11を用いて第六の実施形態について説明する。図10は、第六の実施形態のTFTバイオセンサを示す断面図であり、図11は模式図である。
図10Aに示すように、第六の実施形態のTFTバイオセンサでは、第一の絶縁性基板26上に、第一のゲート電極22、第一のゲート絶縁膜23、半導体活性層12、ソース電極13s及びドレイン電極13d、イオン感応絶縁膜14、保護絶縁膜15から成る薄膜トランジスタが形成されている。また、第六の実施形態のTFTバイオセンサでは、イオン感応絶縁膜14から空間的に離れた位置に参照電極17が配置されている。図10Aに示す例では、参照電極17が保護絶縁膜15から空間的に離れた位置に配置されているが、この配置に限らず、図10Bに示すように、参照電極17を保護絶縁膜15上に形成しても良い。この場合には、銀薄膜を保護絶縁膜15上に成膜し、その後、塩酸などに浸漬させ銀薄膜の表面に塩化銀被膜を形成した後、塩化銀/銀の積層薄膜を所望の形状にパターニングすることにより参照電極17を形成すると良い。このような薄膜トランジスタと参照電極17とを含む構成を薄膜トランジスタセンサ部Sと呼ぶ。かかる薄膜トランジスタセンサ部Sの一例は、図1のTFTバイオセンサ101、図3、図4のTFTバイオセンサ201、図5のTFTバイオセンサ301である。
また、第二の絶縁性基板18に溝を形成した構成を図11に示す。図11に示す例では、第二の絶縁性基板18の一面の適宜箇所(図11では下面の左右方向の中央部)に所定幅の溝18aが形成され、少なくともこの溝18aの内側に酵素19が形成される。第二の絶縁性基板18に溝18aが形成される場合、第一の絶縁性基板26及び第二の絶縁性基板18を密着させて貼り合せることが可能である。2つの絶縁性基板26及び18を貼り合わせた場合、溝18aによって空間が形成され、この空間はセンシング対象物質16を含む溶液が流れる流路Pとなる。絶縁性基板18及び26は、溝18aと薄膜トランジスタセンサ部Sとが二次元的に重なる状態で貼り合せる必要がある。
更には、第六の実施形態のTFTバイオセンサでは、溝18aの有無に関わらず、この流路Pにセンシング対象物質16を含む溶液を供給し、センシング対象物質16の流れを制御する機構(例えばポンプなど)Mを設けることもできる。機構Mによって、例えば図11に示すように、流路Pの一端側から矢符M1に示すようにセンシング対象物質16が供給される。センシング対象物質16は、流路P内の薄膜トランジスタセンサ部S上を通過し、流路Pの他端側から矢符M2に示すように排出される。図10A,10Bに示す例でも、例えば、機構Mによって、流路P内において薄膜トランジスタセンサ部Sの左側から右側へセンシング対象物質16を通過させることができる。
図10Aを用いて、第六の実施形態の実施例8を説明する。
実施例8のTFTバイオセンサの製造装置は、第一の絶縁性基板26であるガラス基板上にアルミニウム合金をスパッタリング法により成膜し、所望の形状にパターニングすることで第一のゲート電極22を形成する。その後、製造装置は、第一のゲート絶縁膜23として、プラズマCVD法により膜厚200nmの酸化シリコン膜を形成する。
図11を用いて、第六の実施形態の実施例9を説明する。上記の実施例8と同様に、実施例9における製造装置は、第一の絶縁性基板26であるガラス基板上に薄膜トランジスタセンサ部Sを形成する。外部から駆動用電気信号を与えるために、薄膜トランジスタセンサ部Sの第一のゲート電極22、ソース電極13s、ドレイン電極13d、及び参照電極17の配線をガラス基板の外部まで引き出す。また、製造装置は、第二の絶縁性基板18であるガラス基板に溝18aを形成する。例えば、ガラスをフッ酸でエッチングすることで、幅2mm、深さ800μmの溝18aを形成する。
このような貼り合せデバイスに対して、溝18aによる流路Pの一方の側からマイクロポンプMを用いて被検液として様々な濃度のグルコース溶液を流路P内に導入し、流路Pの他方の側から被検液を排出する。被検液が流路P内を流れる際に、流路P内に固定された酵素19と反応し、プロトンが生成される。このプロトン生成量を電気二重層電位の変化として薄膜トランジスタセンサ部Sで検出することにより、微小なグルコース濃度を検出することができる。流路Pの構造に関しては、図11のような直線構造に限らず、流路Pの途中に幅の広い領域を部分的に構成し、酵素19を固定化できる面積を増加させることも可能である。
図12を用いて第七の実施形態について説明する。図12は、第七の実施形態のTFTバイオセンサを示す断面図である。図12Aに示すように、第七の実施形態のTFTバイオセンサでは、第一の絶縁性基板26上に、第一のゲート電極22、第一のゲート絶縁膜23、半導体活性層12、ソース電極13s及びドレイン電極13d、第二のゲート絶縁膜24、第二のゲート電極25、イオン感応絶縁膜14、保護絶縁膜15から成る薄膜トランジスタが形成されている。第二のゲート電極25は、第一のゲート電極22と対向する位置から横方向に延伸された形状を有しており、この延伸領域の上にイオン感応絶縁膜14が形成されている。この横方向に延伸された領域のイオン感応絶縁膜14上の一部に開口部を設け、開口部以外の領域に保護絶縁膜15が形成されている。即ち、薄膜トランジスタのチャネル部とイオン感応部とが二次元的にずれた位置に配置されている。この点が、チャネル部とイオン感応部とが二次元的に重なった位置に配置されている図10,11と異なる点である。
図12Aを用いて、第七の実施形態の実施例10を説明する。
実施例10のTFTバイオセンサの製造装置は、第一の絶縁性基板26であるガラス基板上にアルミニウム合金をスパッタリング法により成膜し、所望の形状にパターニングすることで第一のゲート電極22を形成する。その後、製造装置は、第一のゲート絶縁膜23として、プラズマCVD法により膜厚200nmの酸化シリコン膜を形成する。
図13は、有機半導体を半導体活性層12に用いたTFTバイオセンサを示す断面図である。図13に示すTFTバイオセンサは、半導体活性層12が有機半導体で構成されているほかは、図10Aに示した実施例8のTFTバイオセンサと同様の構成を有する。酸化物半導体はn型のみの伝導を示すものが多く、また有機半導体はp型のみの伝導を示すものが多い。このような単極性はトップゲート効果を実現しやすく、容量比による高感度を実現しやすい。
図14は、第八の実施形態のTFTバイオセンサ機器の回路図である。図15は、図14のTFTバイオセンサ機器におけるマイクロプロセッサ38の構成例を示す図である。第八の実施形態のTFTバイオセンサ機器(検出装置)は、上述の実施例1〜10のTFTバイオセンサ101〜701のいずれかを有する。図14におけるTFTバイオセンサが、TFTバイオセンサ101〜701のいずれかである。
また、TFTバイオセンサ機器は、マイクロプロセッサ(プロセッサ)38と、定電圧回路(電圧印加回路)40と、電流電圧変換回路(検出回路)41とを有する。定電圧回路40は、TFTバイオセンサのソース電極13sとドレイン電極13dとの間に電圧(第一の電圧)を印加する。電流電圧変換回路41は、ソース電極13sとドレイン電極13dとの間を流れる電流を電圧(第二の電圧)として検出する。マイクロプロセッサ38は、電流電圧変換回路41にて検出した電圧に基づいて、TFTバイオセンサのゲート電極13gの電位及び定電圧回路40を制御する。
電流電圧変換回路41は、ソース電極13sとドレイン電極13dとの間の微小電流を電圧値に変換する。電流電圧変換回路41は、第1のオペアンプ41a、第2のオペアンプ41b及び第3のオペアンプ41cを有する。
具体的には、電流電圧変換回路41は、3つのオペアンプ41a〜41cと、7つの抵抗R3〜R9とを有する。第1のオペアンプ41aの正入力端子(以下、+入力端子と記す)は、定電圧回路40の出力端子と接続してあり、第2のオペアンプ41bの+入力端子は、TFTバイオセンサのドレイン電極13dと接続してある。また、第1のオペアンプ41aは、出力端子と負入力端子(以下、−入力端子と記す)とが抵抗R4を介して接続してあり、第2のオペアンプ41bは、出力端子と−入力端子とが抵抗R5を介して接続してある。また、第1のオペアンプ41aの−入力端子と第二2のオペアンプ41bの−入力端子とは、抵抗R3を介して接続してある。第3のオペアンプ41cの−入力端子は、抵抗R6を介して、第1のオペアンプ41aの出力端子に接続してあり、第3のオペアンプ41cの+入力端子は、抵抗R7を介して、第2のオペアンプ41bの出力端子に接続してある。また、第3のオペアンプ41cは、+入力端子が抵抗R9を介してグランドにも接続してあり、出力端子と−入力端子とが抵抗R8を介して接続してある。なお、第3のオペアンプ41cの出力端子が、電流電圧変換回路41の出力端子となっている。電流電圧変換回路41は、ソース電極13sとドレイン電極13dとの間の微小電流を変換して得た電圧値(入力電圧Vin)をマイクロプロセッサ38へ出力する。
ROM38bbは、不揮発性メモリであり、演算部38aが所定の演算処理を実行するための制御プログラム、演算部38aが所定の演算処理を行う際に用いる制御変数、各種データ及びテーブル等を予め記憶している。例えば、演算部38aにPID(比例−積分−微分)制御に係る演算を行わせる場合、ROM38bbには、PID制御を実現するための制御プログラム及びPID制御に用いる制御変数が記憶される。また、演算部38aにPI(比例−積分)制御に係る演算を行わせる場合、ROM38bbには、PI制御を実現するための制御プログラム及びPI制御に用いる制御変数が記憶される。また、演算部38aにP(比例)制御に係る演算を行わせる場合、ROM38bbには、P制御を実現するための制御プログラム及びP制御に用いる制御変数が記憶される。RAM38baは、書換可能なメモリであり、演算部38aによる演算処理時に生じるデータを一時的に記憶する。
また、演算部38aは、トランジスタ39をオン又はオフさせるための電圧(出力電圧Vout2)をトランジスタ39に与える。
図14及び図15に示す例では、マイクロプロセッサ38は、ソース電極13sの電位をソース電位または基準電位に切り替え、ゲート電極13gとなるシリコン基板11の電位を変動する。マイクロプロセッサ38は、センシング対象物質16中のイオン濃度に起因した、ゲート電極13g−ソース電極13s間の電位差を読み取る。また、TFTバイオセンサの特性であるイオン濃度とゲート電極13g−ソース電極13s間の電位差(電圧値)との対応を格納したテーブル(対応表)をあらかじめ記憶部38b(ROM38bb)に記憶しており、このテーブルを参照することで、読み取ったゲート電極13g−ソース電極13s間の電位差に対応するセンシング対象物質16中のイオン濃度を検知(特定)する。
電流電圧変換回路41は、ソース電極13sとドレイン電極13dとの間の微小電流を電圧値に変換し、変換した電圧値をマイクロプロセッサ38に入力電圧Vinとして与える。マイクロプロセッサ38は、入力電圧Vinが一定の値となるように、TFTバイオセンサのゲート電極13g(シリコン基板11)に印加する電圧(出力電圧Vout1)を制御する。マイクロプロセッサ38は、TFTバイオセンサの動作を停止する場合は出力電圧Vout1を出力せず、TFTバイオセンサを動作させる場合は出力電圧Vout1を出力する。
図14及び図15を用いて、第八の実施形態の実施例11を説明する。TFTバイオセンサの特性が時間的に変化するため、マイクロプロセッサ38は、以下の処理を行う。すなわち、マイクロプロセッサ38は、イオン濃度を検知する際には、ソース電極13sの電位と、ドレイン電極13d及びゲート電極13g(シリコン基板11)の各電位とを同電位とする。その後、マイクロプロセッサ38は、ドレイン電極13dとゲート電極13g(シリコン基板11)に所定の電位を与える。換言すれば、TFTバイオセンサは、定電圧回路40と、定電圧回路40とを制御するマイクロプロセッサ38と、トランジスタ39とを用いてソース電極13sとドレイン電極13dとの電位差を制御される。
そして、マイクロプロセッサ38は、出力電圧Vout1をゲート電極13gに印可する。これにより、マイクロプロセッサ38は、ソース電極13sとドレイン電極13d間の電流値を所定の値I1とする。マイクロプロセッサ38は、ソース電極13sとドレイン電極13d間の電流値が所定の値I1となったことを検知すると、ゲート電極13gとなるシリコン基板11の電位と、図16に示した特性を用いた測定法によりイオン濃度を算出する。
マイクロプロセッサ38は、イオン濃度が算出されると、出力電圧Vout1によりゲート電極13gとなるシリコン基板11の電位をソース電極13sの電位と同電位にする。また、マイクロプロセッサ38は、出力電圧Vout2によりトランジスタ39を制御して、ドレイン電極13dの電位とソース電極13sの電位とを同電位にする。
センシング対象物質16中のイオン濃度が変化し、センシング対象物質16とイオン感応絶縁膜14との界面での電気二重層電位差(図14中のVedl)が+0.1V、0V、−0.1Vと変化すると、マイクロプロセッサ38は、TFTバイオセンサの特性からあらかじめ算出した電流値I1を流すために、ゲート電極13gとなるシリコン基板11への出力電圧Vout1を0.5V、1V、1.5Vと制御する。この際、制御を安定させるためにマイクロプロセッサ38は、出力電圧Vout1の操作量を、以下の式1にて算出する。そして、マイクロプロセッサ38は、ゲート電極13g(シリコン基板11)に算出した出力電圧Vout1を与える。
…(式1)
なお、Kp,Ki,Kdは制御変数であり、例えば、それぞれ0.6,0.7,0.3である。偏差はソース電極13s−ドレイン電極13d間の電流を電圧として読み取った値(電流電圧変換回路41から取得する入力電圧Vin)と、あらかじめ設定した所定の値との差である。
第八の実施形態の変形例として、TFTバイオセンサの経時変化を勘案した測定手段を説明する。本発明のTFTバイオセンサを、一定pHの被検液中で、一定ゲート電圧及び一定ドレイン電圧のもと、ドレイン電流の経時的変化を観察すると、理想的な状態の場合、常に一定のドレイン電流が得られることになる。しかしながら、多くの場合、時間経過とともにドレイン電流が減少する方向にドリフトする。
次に、製造装置は、薄膜トランジスタをpH6.0のマッキルバイン緩衝液に浸漬する。マッキルバイン緩衝液は、0.05mM/Lのクエン酸水溶液と0.025mM/Lのリン酸水素ナトリウム水溶液とにより調整する。
この変化により、測定時のドリフトを抑制する、或いはドリフトによる変化を打ち消し、定期的にセンサの状態を初期化することが可能となる。
なお、ゲート電圧及びドレイン電圧を0Vに保持した120秒間もドリフトが継続したと仮定した場合、測定を再開する直前には、ドレイン電流値が、220nAから数nA減少した値から、更に数nA減少した値となると予想される。しかし、この場合でも、測定を再開したとき、ドレイン電流の減少がキャンセルされ、初期の220nA程度のドレイン電流値に回復する。
10 熱酸化膜
11 シリコン基板
12 半導体活性層
13s ソース電極
13d ドレイン電極
14 イオン感応絶縁膜
15 保護絶縁膜
16 センシング対象物質
17 参照電極
18 第二の絶縁性基板
19 酵素
20 電圧検出部
21 電流検出部
22 第一のゲート電極
23 第一のゲート絶縁膜
24 第二のゲート絶縁膜
25 第二のゲート電極
26 第一の絶縁性基板
38 マイクロプロセッサ
39 トランジスタ
40 定電圧回路
41 電流電圧変換回路
38a 演算部
38aa 第一演算部
38ab 第二演算部
38b 記憶部
40a ツェナーダイオード
41a 第一のオペアンプ
42b 第二のオペアンプ
43c 第三のオペアンプ
Claims (20)
- 半導体活性層と、
ゲート電極と、
前記半導体活性層の第一の面に設けられ、当該半導体活性層と前記ゲート電極とを絶縁するゲート絶縁膜と、
前記半導体活性層の第二の面に設けられ、溶液と接する領域を有するイオン感応絶縁膜と、
前記領域から空間的に離れた位置に固定され、前記溶液内の物質と反応することで前記領域における電位変化を発生させる酵素と、
を備え、
前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりも大きく、
前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量を前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量で除した比の値を前記イオン感応絶縁膜上の電位に乗じて、前記イオン感応絶縁膜上の電位を増幅して検出する検出部を有することを特徴とするバイオセンサ。 - 半導体活性層と、
ゲート電極と、
前記半導体活性層の第一の面に設けられ、当該半導体活性層と前記ゲート電極とを絶縁するゲート絶縁膜と、
前記半導体活性層の第二の面に設けられたイオン感応絶縁膜と、
酵素と、
を備え、
前記イオン感応絶縁膜は、第一の領域以外の周縁部分が保護絶縁膜により覆われ、
前記半導体活性層の前記第二の面は、前記イオン感応絶縁膜と接する第二の領域を有し、
前記第一の領域は、前記第二の領域と重なる第三の領域と、前記第三の領域以外の第四の領域とを有し、
前記酵素は、前記第四の領域に固定され、
前記イオン感応絶縁膜は、前記第三の領域で溶液と接し、
前記酵素は、前記溶液内の物質と反応して、前記第三の領域における電位変化を発生させ、
前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりも大きいことを特徴とするバイオセンサ。 - 半導体活性層と、
ゲート電極と、
前記半導体活性層の第一の面に設けられ、当該半導体活性層と前記ゲート電極とを絶縁するゲート絶縁膜と、
前記半導体活性層の第二の面に設けられたイオン感応絶縁膜と、
複数の酵素とを備え、
前記イオン感応絶縁膜は、第一の領域以外の周縁部分が保護絶縁膜により覆われ、
前記複数の酵素は、前記イオン感応絶縁膜の前記第一の領域が溶液と接するように、前記第一の領域に一定間隔またはランダムに配置され、
前記複数の酵素は、前記溶液内の物質と反応して、前記第一の領域における電位変化を発生させ、
前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりも大きいことを特徴とするバイオセンサ。 - 前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量を前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量で除した比の値を前記イオン感応絶縁膜上の電位に乗じて、前記イオン感応絶縁膜上の電位を増幅して検出する検出部を有する
請求項2又は3に記載のバイオセンサ。 - 半導体活性層と、
第一のゲート電極と、
前記半導体活性層の第一の面に設けられ、当該半導体活性層と前記第一のゲート電極とを絶縁する第一のゲート絶縁膜と、
前記半導体活性層の第二の面に設けられた第二のゲート絶縁膜と、
前記第二のゲート絶縁膜上に設けられ、前記半導体活性層と重なる領域から二次元的に離れた位置まで延長された第二のゲート電極と、
前記第二のゲート電極の延長端側に固定され、溶液内の物質と反応することで前記第二のゲート電極に印加される電圧を変調させる酵素と、
を備え、
前記第二のゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記第一のゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりも大きいことを特徴とするバイオセンサ。 - 半導体活性層と、
第一のゲート電極と、
前記半導体活性層の第一の面に設けられ、当該半導体活性層と前記第一のゲート電極とを絶縁する第一のゲート絶縁膜と、
前記半導体活性層の第二の面に設けられた第二のゲート絶縁膜と、
前記第二のゲート絶縁膜上に設けられ、前記半導体活性層と重なる領域から二次元的に離れた位置まで延長された第二のゲート電極と、
前記第二のゲート電極上に設けられたイオン感応絶縁膜と、
前記イオン感応絶縁膜上に固定され、溶液内の物質と反応することで、前記イオン感応絶縁膜における電位変化を発生させる酵素と、
を備え、
前記第二のゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記第一のゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりも大きいことを特徴とするバイオセンサ。 - 半導体活性層と、
第一のゲート電極と、
前記半導体活性層の第一の面に設けられ、当該半導体活性層と前記第一のゲート電極とを絶縁する第一のゲート絶縁膜と、
前記半導体活性層の第二の面に設けられた第二のゲート絶縁膜と、
前記第二のゲート絶縁膜上に設けられ、前記半導体活性層と重なる領域から二次元的に離れた位置まで延長された第二のゲート電極と、
前記第二のゲート電極上に設けられたイオン感応絶縁膜と、
前記イオン感応絶縁膜上に固定され、溶液内の物質と反応することで、前記イオン感応絶縁膜における電位変化を発生させる複数の酵素と、
を備え、
前記複数の酵素は、前記イオン感応絶縁膜の表面が溶液と接するように、前記イオン感応絶縁膜上に一定間隔またはランダムに配置され、
前記第二のゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記第一のゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりも大きいことを特徴とするバイオセンサ。 - 半導体活性層と、
第一のゲート電極と、
前記半導体活性層の第一の面に設けられ、当該半導体活性層と前記第一のゲート電極とを絶縁する第一のゲート絶縁膜と、
前記半導体活性層の第二の面に設けられた第二のゲート絶縁膜と、
前記第二のゲート絶縁膜上に設けられ、前記半導体活性層領域と重なる領域から二次元的に離れた位置まで延長された第二のゲート電極と、
前記第二のゲート電極上に設けられ、溶液と接する領域を有するイオン感応絶縁膜と、
前記イオン感応絶縁膜から空間的に離れた位置に固定され、前記溶液内の物質と反応することで前記イオン感応絶縁膜の前記領域における電位変化を発生させる酵素と、
を備え、
前記第二のゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記第一のゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりも大きいことを特徴とするバイオセンサ。 - 前記第二のゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量を前記第一のゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量で除した比の値を前記イオン感応絶縁膜上の電位に乗じて、前記イオン感応絶縁膜上の電位を増幅して検出する検出部を有する請求項6から8までのいずれかひとつに記載のバイオセンサ。
- さらに、前記イオン感応絶縁膜と、前記イオン感応絶縁膜から空間的に離れた位置に固定された酵素との間にセンシング対象物質の流れを制御する機構を有することを特徴とする請求項1又は8に記載のバイオセンサ。
- 前記半導体活性層が酸化物半導体、または有機半導体であることを特徴とする請求項1から10までのいずれかひとつに記載のバイオセンサ。
- 前記第一のゲート電極、第一のゲート絶縁膜、半導体活性層、第二のゲート絶縁膜、第二のゲート電極、及びイオン感応絶縁膜が形成してある第一の基板と、
前記酵素が固定されている第二の基板とを有し、
前記第二の基板は、一面に溝を有し、該溝の内面に前記酵素が固定してあり、
前記第一の基板及び第二の基板は、前記イオン感応絶縁膜及び酵素を対向させた状態で配置されていることを特徴とする請求項8に記載のバイオセンサ。 - 前記第一のゲート電極、第一のゲート絶縁膜、半導体活性層、第二のゲート絶縁膜、第二のゲート電極、及びイオン感応絶縁膜が、この順に基板上に形成してあり、
前記基板上に、前記溶液内の物質と反応することで前記イオン感応絶縁膜の前記領域における電位変化を発生させる酵素が固定されていることを特徴とする請求項8に記載のバイオセンサ。 - 請求項1から13までのいずれかひとつに記載のバイオセンサと、
前記半導体活性層に接続するソース電極とドレイン電極との間に第一の電圧を印加する電圧印加回路と、
前記ソース電極とドレイン電極との間を流れる電流を第二の電圧として検出する検出回路と、
前記第二の電圧に基づき、前記ゲート電極に印加する電圧と前記電圧印加回路とを制御するプロセッサとを備え、
前記プロセッサは、
制御変数と電圧値とイオン濃度との対応表を格納した記憶部と、
前記検出回路が検出した前記第二の電圧と前記制御変数に基づき、前記第一の電圧の値と前記第二の電圧の値とを一定にするように、前記ゲート電極に印加する電圧の値を算出する第一演算部と、
前記第一演算部が算出した電圧値と前記対応表に基づきイオン濃度を算出する第二演算部とを有し、
前記第一演算部が算出した電圧値に基づいて、前記ゲート電極に印加する電圧を制御することを特徴とした検出装置。 - 半導体活性層と、
ゲート電極と、
前記半導体活性層の第一の面に設けられ、当該半導体活性層と前記ゲート電極とを絶縁するゲート絶縁膜と、
前記半導体活性層の第二の面に設けられ、溶液と接する領域を有するイオン感応絶縁膜と、
前記半導体活性層と前記イオン感応絶縁膜との間に配置され前記半導体活性層に接続するソース電極とドレイン電極との間に第一の電圧を印加する電圧印加回路と、
前記ソース電極とドレイン電極との間を流れる電流を第二の電圧として検出する検出回路と、
前記第二の電圧に基づき、前記ゲート電極に印加する電圧と前記電圧印加回路とを制御するプロセッサとを備え、
前記プロセッサは、
制御変数と電圧値とイオン濃度との対応表を格納した記憶部と、
前記検出回路が検出した前記第二の電圧と前記制御変数に基づき、前記第一の電圧の値と前記第二の電圧の値とを一定にするように、前記ゲート電極に印加する電圧の値を算出する第一演算部と、
前記第一演算部が算出した電圧値と前記対応表に基づきイオン濃度を算出する第二演算部とを有し、
前記第一演算部が算出した電圧値に基づいて、前記ゲート電極に印加する電圧を制御することを特徴とした検出装置。 - 前記記憶部に格納した制御変数はPID(比例‐積分‐微分)制御の変数であり、
前記第一演算部による演算はPID制御であることを特徴とした請求項14又は15に記載の検出装置。 - 前記記憶部に格納した制御変数はPI(比例‐積分)制御の変数であり、
前記第一演算部による演算はPI制御であることを特徴とした請求項14又は15に記載の検出装置。 - 前記記憶部に格納した制御変数はP(比例)制御の変数であり、
前記第一演算部による演算はP制御であることを特徴とした請求項14又は15に記載の検出装置。 - 前記プロセッサは、前記第一の電圧が閾値以上のときに、前記ゲート電極に印加する電圧を制御することを特徴とした請求項14から18までのいずれかひとつに記載の検出装置。
- 前記プロセッサは、単位時間間隔で前記第一の電圧を変更するように前記電圧印加回路を制御することを特徴とした請求項14から19までのいずれかひとつに記載の検出装置。
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