JP6737540B2 - 量子ドットバイオセンサー - Google Patents

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Description

本発明は、バイオセンサーに関し、特に量子ドットを利用したバイオセンサーに関する。
本出願は、２０１６年１１月２日付けの韓国特許出願第１０−２０１６−０１４４８４９号および２０１７年１１月２日付けの韓国特許出願第１０−２０１７−０１４５１５４号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。
量子ドット（Ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ）は、そのサイズを調節することにより、エネルギーバンドギャップを容易に調節でき、このような特性を利用して発光材料に使用できる。また、量子ドットは、多様な波長の光を吸収して電荷を発生させることができ、したがって、発光材料の他にもバイオセンサーおよび光感知センサーの素材に活用できる。
なお、生体低分子である免疫グロブリンＥなどのメタボライトやグルコース、変形された遺伝子、癌細胞、環境ホルモンなど特定のバイオ物質をリアルタイムでモニターするための研究開発および投資が非常に活発に進行している。
通常使用されるバイオセンサーの技術的な方式としては、電気化学バイオセンサー、圧電バイオセンサー、光学バイオセンサー、サーマルーバイオセンサーなどがあり、多くの場合に、測定中に試料が破壊されてリアルタイム試料の濃度に対する平衡を変化させることができる。また、さらなるバイオ標識を用いて検出するので、バイオ標識物質を添加するさらなる手続が必要であり、グラフトされたバイオ標識の密度が低いという短所を有している。
本発明は、量子ドット層とターゲットバイオ分子と電子−振動エネルギー伝達による量子ドット層の電位が変わるようになるが、この際に発生する微細な電位差を電流変化に誘導して測定できるバイオセンサーを提供することを解決しようとする課題とする。
また、本発明は、捕集部の電荷を効果的に感知部に伝達し得るバイオセンサーを提供することを解決しようとする課題とする。
前述した課題を解決するために、本発明の一態様によれば、基板と、基板上に設けられたゲート電極と、ゲート電極上に設けられた絶縁層と、絶縁層上にそれぞれ設けられたソース電極およびドレーン電極と、ソース電極とドレーン電極との間に設けられたｎ型チャネルと、ｎ型チャネル上に設けられ、ターゲットバイオ物質の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられた量子ドット層と、を含むバイオセンサーが提供される。
また、前記量子ドット層を構成する量子ドットは、コロイド状量子ドットである。
また、バイオセンサーは、量子ドット層に設けられ、分析しようとするバイオ物質を捕集するための捕集部をさらに含むことができる。
また、本発明の他の態様によれば、基板と、基板上に設けられたゲート電極と、ゲート電極上に設けられた絶縁層と、絶縁層上にそれぞれ設けられたソース電極およびドレーン電極と、絶縁層上に設けられ、ソース電極およびドレーン電極を電気的に連結するように設けられ、ターゲットバイオ物質の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられた量子ドット層と、を含むバイオセンサーが提供される。また、前記量子ドット層を構成する量子ドットは、コロイド状量子ドットである。また、バイオセンサーは、量子ドット層に設けられ、分析しようとするバイオ物質を捕集するための捕集部をさらに含むことができる。
以上説明したように、本発明の少なくとも一実施形態に係るバイオセンサーによれば、量子ドット層とターゲットバイオ分子と電子−振動エネルギー伝達による量子ドット層の電流変化を測定し得るので、バイオ物質を感知することができる。また、捕集部の電荷を効果的に感知部に伝達し得、バイオセンサーの効率を向上させることができる。
本発明の第１実施形態に係るバイオセンサーを示す概略断面図である。 本発明の第２実施形態に係るバイオセンサーを示す概略断面図である。 本発明の第３実施形態に係るバイオセンサーを示す概略断面図である。 システインの感知結果を示すグラフである。 システインの感知結果を示すグラフである。
以下、本発明の一実施形態に係るガス感知センサーを添付の図面を参照して詳細に説明する。
また、参照符号に関係なく、同一または対応の構成要素は、同一または同様の参照番号を付与し、これに対する重複説明を省略することとし、説明の便宜のために図示された各構成部材のサイズおよび形状は、誇張されたり縮小され得る。
図１は、本発明の第１実施形態に係るバイオセンサー１０を示す概略断面図である。
本発明は、ｎ型チャネル上に形成された量子ドット層を含むバイオセンサー１００を提供する。また、前記量子ドット層は、ターゲットバイオ物質の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられる。
図１を参照すると、第１実施形態に係る前記バイオセンサー１０は、基板１１、ゲート電極１４、絶縁層１８、ソース電極１２、ドレーン電極１３、ｎ型チャネル１５、および量子ドット層１６を含む
具体的に、本発明の一実施形態に係るバイオセンサー１０は、基板１１と、基板１１上に設けられたゲート電極１４と、ゲート電極１４上に設けられた絶縁層１８と、絶縁層１８上にそれぞれ設けられたソース電極１２およびドレーン電極１３とを含む。また、バイオセンサー１０は、ソース電極１２とドレーン電極１３との間に設けられたｎ型チャネル１５と、電流が流れるように設けられ、ｎ型チャネル１５上に設けられた量子ドット層１６とを含む。
また、前記ｎ型チャネル１５は、ソース電極１２とドレーン電極１３を電気的に連結するように設けられる。
また、量子ドット層１６は、ターゲットバイオ物質の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギー（帯内における電子遷移エネルギー）を有するように設けられる。
また、量子ドット層１６は、ソース電極１２とドレーン電極１３を電気的に連結するように設けられてもよく、量子ドット層１６はソース電極１２とドレーン電極１３を電気的に連結しないように設けられてもよい。
量子ドット層１６は、球形状を有する複数の量子ドットが層を成すように配列されたものであり、量子ドットは、そのサイズと組成を調節することにより、電子構造のエネルギーギャップを容易に調節することができる。
量子ドットを利用したバイオセンサー１０の作動原理は、量子ドット層に流れる電流をリアルタイムで感知して、量子ドット層１６の電流変化を利用するものである。例えば、量子ドットを利用したバイオセンサー１０の場合、電界効果薄膜トランジスターＴＦＴと結合してこれを応用できる。
特に、量子ドット層１６とターゲットバイオ物質と電子−振動エネルギー伝達による量子ドット層１６の電位が変わるようになるが、この際に発生する微細な電位差を電流変化に誘導して測定できる。
また、量子ドット層１６は、フィルム形態で製造され得る。
前記電界効果薄膜トランジスターにおいて量子ドット層１６の表面で起こる官能基の変化は、量子ドットの電位を変化させるが、この微細な電位の変化を、電子がｎ型チャネルの伝導チャネル（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ）の電流変化に変換および増幅させるようになる。つまり、量子ドットにおける表面電位の変化は、すなわち薄膜トランジスターにおける電流変化を示すようになるが、臨界電圧の変化にも現れ、これを測定してバイオセンサーに応用できる。
具体的に、薄膜トランジスターＴＦＴにおいてソース電極とゲート電極との間に臨界電圧（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｖｏｌｔａｇｅ）以上の電圧が印加されると、ｎ型チャネルで伝導チャネルが形成され、これを通じてソース電極１２とドレーン電極１３との間に電子が移動することができる。また、量子ドットの電位もやはり、ｎ型伝導チャネルに影響を与えることができるので、臨界電圧に影響を及ぼすことができる。
したがって、本発明によるバイオセンサー１０は、ソース電極１２とゲート電極１４との間に電流をリアルタイムで測定する場合、量子ドット層１６に誘導される電位差を観察することができ、ターゲットバイオ分子から量子ドット層１６に伝達される特定の電子−振動エネルギー伝達（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ−ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ）によって変化した電流を測定するように設けられる。また、測定しようとする電流は、ターゲットバイオ分子の特定の官能基の振動により量子ドットの帯内における遷移エネルギーが吸収されて、電流の変化が起こるようになる。
また、ターゲットバイオ分子の振動による電位の増加は、新規な且つ実現可能性が高い測定方式であり、バイオ分子の濃度に応じて電位値が比例するようになる。
また、量子ドット層１６とバイオ分子振動との間のカップリングによるエネルギー伝達であるので、バイオ分子と量子ドット層１６との間の物理的距離に関する情報も測定できる。
なお、本発明で使用できるｎ型チャネル１５は、ＩＧＺＯ、ＺｎＯ、ＺＴＯ、ＩＺＯ、ＩＨＺＯ、ＡＩＮ、ＩｎＮ、ＧａＮおよびＩｎＧａＮよりなる群から選択されるいずれか一つのｎ型物質よりなり得る。
特に、ＩＧＺＯよりなるｎ型チャネル１５が好ましいが、これは、優れた光学透明性、非結晶構造、高い電子移動性を有しており、また、量子ドットが直接ＩＧＺＯチャネル上に機能化され得るからである。ひいては、ＩＧＺＯチャネルは、直接アクティブマトリックスバックプレーンとして機能し得、別途の集積化工程が省略され得るという長所がある。
また、本発明で使用できる量子ドットは、コロイド状量子ドットを使用することが好ましい。コロイド状量子ドットを使用する場合、ｎ型チャネル１５上にスピンコーティングのような簡単な方法で形成することができ、量子ドットを均一に分布させることができる。
前記量子ドットとしては、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＳＴｅ、ＺｎＳｅＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＨｇＳｅＳ、ＨｇＳｅＴｅ、ＨｇＳＴｅ、ＣｄＺｎＳ、ＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＨｇＳ、ＣｄＨｇＳｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＨｇＺｎＳ、ＨｇＺｎＳｅ、ＣｄＨｇＺｎＴｅ、ＣｄＺｎＳｅＳ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ、ＣｄＺｎＳＴｅ、ＣｄＨｇＳｅＳ、ＣｄＨｇＳｅＴｅ、ＣｄＨｇＳＴｅ、ＨｇＺｎＳｅＳ、ＨｇＺｎＳｅＴｅ、ＨｇＺｎＳＴｅ；ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＳｂ、ＧａＰＡｓ、ＧａＰＳｂ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＳｂ、ＩｎＰＡｓ、ＩｎＰＳｂ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰＳｂ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＳｅＳ、ＳｎＳｅＴｅ、ＳｎＳＴｅ、ＰｂＳｅＳ、ＰｂＳｅＴｅ、ＰｂＳＴｅ、ＳｎＰｂＳ、ＳｎＰｂＳｅ、ＳｎＰｂＴｅ、ＳｎＰｂＳＳｅ、ＳｎＰｂＳｅＴｅ、ＳｎＰｂＳＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、およびＳｉＧｅよりなる群から選択されるいずれか一つ以上が使用できる。
特に、本発明の一実施形態に係るバイオセンサー１０は、赤外線領域、特に中赤外線領域で電子遷移を有する量子ドット層１６が使用できる。この場合、前記量子ドットの種類またはサイズを調節して赤外線領域、特に１，０００ｎｍ〜２０μｍの波長、好ましくは１，０００ｎｍ〜８，０００ｎｍの波長の光を吸収する量子ドットが使用できる。また、コロイド状量子ドットは、低費用で大面積の加工が可能であるので、本発明においてもコロイド状量子ドットを利用することが好ましい。
また、前記量子ドットは、リガンド置換された量子ドットが使用できる。量子ドットは、有機リガンドおよび無機リガンドのうち少なくとも一つのリガンドに置換され得る。前記量子ドットである前記リガンドの例としては、 ＥＤＴ（ｅｔｈａｎｅｄｉｔｈｏｌ）、ＢＤＴ（ｂｕｔａｎｅｔｈｉｏｌ）、ＭＰＡ（ｍｅｒｃａｐｔｏｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、ＣＴＡＢ（ｔｙｌｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｂｒｏｍｉｄｅ）、ＨＴＡＣ（ｈｅｘａｄｅｃｙｌｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ＴＢＡＩ（ｔｅｔｒａｂｕｔｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｉｏｄｉｄｅ）、またはＮａ２Ｓが挙げられる。
量子ドットは、コロイド状溶液の分散性と安定性のためにオレイン酸リガンドで取り囲まれている構造を有している。この状態の量子ドットもバイオセンサーに適用できるが、オレイン酸リガンドは鎖構造が長いため、量子ドットで発生した電子がｎ型チャネル１５に移動するのに妨げられる。したがって、より短い鎖構造のリガンドとして前記のリガンドに置換することが好ましい。前記リガンド置換された量子ドットを使用する場合、例えばオレイン酸リガンドで取り囲まれた量子ドットをｎ型チャネル１５上に形成した後、前記リガンドと反応させて置換する方法で使用できる。
これとは異なって、コロイド状量子ドット層の有機物質リガンドを単分子有機リガンドまたは無機リガンドに置換してターゲットバイオ分子の接近性を向上させ、バイオ分子の官能基の振動モードと量子ドット層の帯内における遷移の共鳴を容易にし得る。
一実施形態において、電荷移動のための有機リガンドとしては、前述したＥＤＴ、ＢＤＴ、ＭＰＡなどの長さが短い二座リガンド（ｂｉｄｅｎｔａｔｅ ｌｉｇａｎｄ）を使用する計画であり、無機リガンドと混合してコロイド状量子ドット層のフィルム構造を均一に形成できる。
ＣＴＡＢ（Ｃｅｔｙｌｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｂｒｏｍｉｄｅ）、ＣＴＡＣｌ（Ｃｅｔｙｌｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ＴＢＡＩ（Ｔｒｉｂｕｔｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｉｏｄｉｄｅ）などのハロゲンイオンを提供する化合物を利用して合成後に使用されている有機リガンドをＢｒ−、Ｃｌ−、Ｉ−などのハロゲンイオンに置換することができる。有機リガンドで取り囲まれたコロイド状量子ドット層で構成されたフィルム上に数分間ハロゲンイオンを存在するようにして常温で置換過程を進めることができる。フィルムの厚さは、順次に増加させることができ、厚さは、１０ｎｍから３００ｎｍまでであってもよい。ハロゲンの場合、原子リガンドであるので、リガンドによる振動運動がないため、中赤外線領域でターゲットバイオ分子以外の共鳴現象を起こす分子を除去することができる。これにより、より向上し且つ安定した電気信号を得ることができる。
無機リガンドに置換する他の方法としては、極性溶液と無極性溶液との極性差を利用する方法が利用できる。無極性有機リガンドに改質されているコロイド状量子ドット溶液を極性無機リガンド溶液と常温で撹拌させる場合、コロイド状量子ドットの表面に極性リガンドが改質されるようになり、コロイド状量子ドットの誘電率が増加する。したがって、無機リガンドに改質されたコロイド状量子ドットは、極性溶液に存在するようになる。極性無機リガンドに改質されたコロイド状量子ドット溶液は、表面の上にコロイド溶液をコーティングさせることができるという長所がある。
また、前記絶縁層１８は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、またはＳｉＮｘなどで形成され得る。
また、前記ゲート電極１４は、金属で形成され得、例えばＣｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ／Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、およびＰｔよりなる群から選択され得る。
また、前記ソース電極１２およびドレーン電極１３は、それぞれ金属で形成され得、例えばＣｒ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、ＰｔおよびＷよりなる群から選択され得る。
なお、前述した絶縁層１８、ｎ型チャネル１５、量子ドット層１６、ソースおよびドレーン電極１２、１３以外の残りの構成は、一般的にバイオセンサー１０において使用できるものであれば、特に限定されない。
例えば、前記基板１１としては、ガラス基板やプラスチック基板が使用でき、バイオセンサー１０に適用されるものであれば、特に限定されない。また、バイオセンサー１０の各構成要素の配置などは、従来バイオセンサー１００において適用されるものであれば、特に限定されない。
図２は、本発明の第２実施形態に係るバイオセンサー１００を示す概略断面図である。
図２を参照すると、前記バイオセンサー１００は、基板１１０、ゲート電極１４０、絶縁層１８０、ソース電極１２０、ドレーン電極１３０、ｎ型チャネル１５０、および量子ドット層１６０および捕集部１７０を含む。すなわち、第２実施形態によるバイオセンサー１００は、量子ドット層１６０に設けられ、タケッバイオ物質を捕集するための捕集部１７０をさらに含むことができる。第２実施形態において、その他、他の構成要素は、第１実施形態で説明したバイオセンサー１０の構成要素と同一である。
第２実施形態に係るバイオセンサー１００は、基板１１０と、基板１１０上に設けられたゲート電極１４０と、ゲート電極１４０上に設けられた絶縁層１８０と、絶縁層１８０上にそれぞれ設けられたソース電極１２０およびドレーン電極１３０とを含む。また、バイオセンサー１００は、ソース電極１２０とドレーン電極１３０との間に、ソース電極１２０とドレーン電極１３０を電気的に連結するように設けられたｎ型チャネル１５０を含む。前記ソース電極１２０とドレーン電極１３０は、それぞれ絶縁層１８０およびｎ型チャネル１５０上にわたって設けられる。また、バイオセンサー１００は、電流が流れるように設けられ、ｎ型チャネル１５０上に設けられ、ターゲットバイオ物質の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられた量子ドット層１６０と、量子ドット層１６０に設けられ、ターゲットバイオ物質を捕集するための捕集部１７０とを含む。
前記捕集部１７０は、複数の捕集分子を含むことができる。また、複数の捕集分子は、量子ドットの曲面部に固定され得る。すなわち、量子ドット層１６０は、屈曲した表面を有するように設けられる。また、量子ドット層１６０は、フィルム形態で製造され得る。
前記電界効果薄膜トランジスターにおいて量子ドット層の電流変化は、その電子がｎ型チャネルの伝導チャネルに移動して臨界電圧の変化を発生させ、これを測定してバイオセンサーに応用できる。
具体的に、薄膜トランジスターＴＦＴにおいてソース電極とゲートとの間に臨界電圧（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｖｏｌｔａｇｅ）以上の電圧が印加されると、ｎ型チャネル１５０で伝導チャネルが形成され、これを通じてソース電極１２０とドレーン電極１３０との間に電子が移動し得る。
したがって、本発明によるバイオセンサー１００は、ソース電極とゲート電極との間に臨界電圧の前後＋／−５Ｖ以内での一定量の電圧が印加された後、量子ドット層１６０に流れる電流に対するリアルタイム測定で、捕集部に捕集されたターゲットバイオ分子と量子ドット層１６０との間の特定の電子−振動エネルギー伝達により量子ドット層１６０に微細な電位差を誘導し、これは、ｎ型チャネル１５０で電流が変化して測定するように設けられる。測定しようとする電流は、ターゲットバイオ分子の特定の官能基の振動により帯内における遷移エネルギーが吸収されて、電流の変化が起こるようになる。
また、ターゲットバイオ分子の振動による量子ドットにおける電位の変化は、新規な且つ実現可能性が高い測定方式であり、バイオ分子の濃度に応じて電流値の変化が比例するようになる。
また、このような方式の量子ドット層１６０による薄膜トランジスターは、特定のエネルギーのバイオ分子の変化に特徴的に反応し得、その信号を増幅させることができるという長所がある。
また、量子ドット層１６０とバイオ分子振動との間のカップリングによるエネルギー伝達であるので、バイオ分子と量子ドット層１６０との間の物理的距離に対する情報も測定できる。
また、前記絶縁層１８０は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、またはＳｉＮｘなどで形成され得る。
また、前記ゲート電極１４０は、金属で形成され得、例えばＣｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ／Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、およびＰｔよりなる群から選択され得る。
また、前記ソース電極１２０およびドレーン電極１３０は、それぞれ金属で形成され得、例えばＣｒ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、ＰｔおよびＷよりなる群から選択され得る。
なお、前述した絶縁層１８０、ｎ型チャネル１５０、量子ドット層１６０、捕集部１７０、ソースおよびドレーン電極１２０、１３０以外の残りの構成は、通常、バイオセンサー１００において使用できるものであれば、特に限定されない。
例えば、前記基板１１０としては、ガラス基板やプラスチック基板が使用でき、バイオセンサー１００に適用されるものであれば、特に限定されない。また、バイオセンサー１００の各構成要素の配置などは、従来バイオセンサー１００において適用されるものであれば、特に限定されない。
また、量子ドット層１６０には捕集分子が固定化され得る。前記捕集分子は、分析しようとするターゲットバイオ物質と特異的に結合して前記バイオ物質を捕集することができる。前記捕集分子らと前記バイオ物質の反応は、例えば、核酸ハイブリダイゼーション、抗原−抗体反応または効果結合反応であり得る。また、前記バイオ物質は、前記捕集分子の表面に固定され得る。例えば、前記捕集分子は、例えば、蛋白質、細胞、ウイルス、核酸有機分子または無機分子であり得る。前記捕集分子が蛋白質である場合、前記蛋白質は、例えば、抗原、抗体、基質蛋白質、酵素または助酵素であり得る。前記捕集分子が核酸である場合、前記核酸は、例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、ＬＮＡまたはこれらの混成体であり得る。
量子ドット層の表面に捕集分子２５を固定化させる方法としては、化学的な吸着（ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）、共有結合（ｃｏｖａｌｅｎｔ−ｂｉｎｄｉｎｇ）、電気的な結合（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ａｔｔｒａｃｔｉｏｎ）、共重合体（ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ）、またはアビジン−バイオチン結合システム（ａｖｉｄｉｎ−ｂｉｏｔｉｎ ａｆｆｉｎｉｔｙ ｓｙｓｔｅｍ）などが利用できる。
例えば、前記量子ドット層１６０の表面に前記捕集分子を固定化させるために官能基（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｇｒｏｕｐ）が提供され得る。前記官能基は、例えば、カルボキシル基−ＣＯＯＨ、チオール基−ＳＨ、水酸基−ＯＨ、シラン基Ｓｉ−Ｈ、アミン基−ＮＨ、またはエポキシ基であり得る。
図３は、本発明の第３実施形態に係るバイオセンサー２００を示す概略断面図である。
図３を参照すると、バイオセンサー２００は、基板２１０と、基板２１０上に設けられたゲート電極２４０と、ゲート電極２４０上に設けられた絶縁層２８０と、絶縁層２８０上にそれぞれ設けられたソース電極２２０およびドレーン電極２３０とを含む。また、バイオセンサー２００は、絶縁層２８０上に位置し、ソース電極２２０とドレーン電極２３０との間に電流が流れるように設けられ、ターゲットバイオ物質の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられた量子ドット層２６０を含む。また、前記バイオセンサー２００は、量子ドット層２６０に設けられ、ターゲットバイオ物質を捕集するための捕集部２７０をさらに含むことができる。
第３実施形態では、第１実施形態とは異なって、ｎ型層１５０が設けられなくてもよく、量子ドット層２６０がソース電極２２０とドレーン電極２３０を電気的に連結する。
なお、図４および図５は、システインの感知結果を示すグラフである。
薄膜トランジスターＴＦＴ素子の上に何も積載しない状態（Ｂｌａｎｋ）を測定した後、ＨｇＳｅサンプルをスピンコーティング方法で薄膜トランジスターＴＦＴ素子の上に蒸着して測定した。
図４で、Ａ３＿Ｂｌａｎｋ＿ＨｇＳｅ＿ＨＤＡから明らかなように、ブランク（Ｂｌａｎｋ）状態の臨界電圧は、ＨｇＳｅ＿ＨＤＡが蒸着された後の臨界電圧より小さい値を有するので、駆動エネルギーが変わったことを確認することができる。
図５のＡ領域を参照すると、さらに薄膜トランジスターＴＦＴ素子の上に、システインが水溶液相で存在する溶液を塗布すると、臨界電圧がＨｇＳｅ＿ＨＤＡグラフからシステイングラフに変わることを確認することができた。
具体的に、薄膜トランジスターＴＦＴ素子は、化学的湿式方法で合成されたコロイド量子ドットを活動層として使用した素子であって、物質は、ＩＩ−ＶＩ族半導体化合物、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物、ＩＶ−ＶＩ族半導体化合物、ＩＶ族半導体化合物、またはこれらの組み合わせを含む。
具体的な量子ドットは、ＡｕＳ、ＡｕＳｅ、ＡｕＴｅ、ＡｇＳ、ＡｇＳｅ、ＡｇＴｅ、ＡｇＯ、ＣｕＳ、ＣｕＳｅ、ＣｕＴｅ、ＣｕＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＡｕＳｅＳ、ＡｕＳｅＴｅ、ＡｕＳＴｅ、ＡｇＳｅＳ、ＡｇＳｅＴｅ、ＡｇＳＴｅ、ＣｕＳｅＳ、ＣｕＳｅＴｅ、ＣｕＳＴｅ、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＳＴｅ、ＺｎＳｅＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＨｇＳｅＳ、ＨｇＳｅＴｅ、ＨｇＳＴｅ、ＡｕＡｇＳ、ＡｕＡｇＳｅ、ＡｕＡｇＴｅ、ＡｕＣｕＳ、ＡｕＣｕＳｅ、ＡｕＣｕＴｅ、ＡｕＺｎＳ、ＡｕＺｎＳｅ、ＡｕＺｎＴｅ、ＡｕＣｄＳ、ＡｕＣｄＳｅ、ＡｕＣｄＴｅ、ＡｕＨｇＳ、ＡｕＨｇＳｅ、ＡｕＨｇＴｅ、ＡｇＺｎＳ、ＡｇＺｎＳｅ、ＡｇＺｎＴｅ、ＡｇＣｕＳ、ＡｇＣｕＳｅ、ＡｇＣｕＴｅ、ＡｇＣｄＳ、ＡｇＣｄＳｅ、ＡｇＣｄＴｅ、ＡｇＨｇＳ、ＡｇＨｇＳｅ、ＡｇＨｇＴｅ、ＣｕＺｎＳ、ＣｕＺｎＳｅ、ＣｕＺｎＴｅ、ＣｕＣｄＳ、ＣｕＣｄＳｅ、ＣｕＣｄＴｅ、ＣｕＨｇＳ、ＣｕＨｇＳｅ、ＣｕＨｇＴｅ、ＺｎＣｄＳ、ＺｎＣｄＳｅ、ＺｎＣｄＴｅ、ＺｎＨｇＳ、ＺｎＨｇＳｅ、ＺｎＨｇＴｅ、ＣｄＨｇＳ、ＣｄＨｇＳｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＣｄＨｇＺｎＴｅ、ＣｄＺｎＳｅＳ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ、ＣｄＺｎＳＴｅ、ＣｄＨｇＳｅＳ、ＣｄＨｇＳｅＴｅ、ＣｄＨｇＳＴｅ、ＨｇＺｎＳｅＳ、ＨｇＺｎＳｅＴｅ、ＨｇＺｎＳＴｅ；ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＳｂ、ＧａＰＡｓ、ＧａＰＳｂ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＳｂ、ＩｎＰＡｓ、ＩｎＰＳｂ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰＳｂ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＳｅＳ、ＳｎＳｅＴｅ、ＳｎＳＴｅ、ＰｂＳｅＳ、ＰｂＳｅＴｅ、ＰｂＳＴｅ、ＳｎＰｂＳ、ＳｎＰｂＳｅ、ＳｎＰｂＴｅ、ＳｎＰｂＳＳｅ、ＳｎＰｂＳｅＴｅ、ＳｎＰｂＳＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、およびＳｉＧｅよりなる群から選択された１種以上であることを特徴とする量子ドットナノ粒子である。
化学的湿式方法で製造された量子ドットの表面は、有機・無機リガンドで取り囲まれており、これを置換することによって、化学および物理的性質を変えることができる。本発明では、製造された量子ドットの表面が様々なリガンドに置換されることによって変わる性質を利用すると、バイオ物質を選択的に検出することができる。初期のＨｇＳｅ活動層のリガンドをＨＡＤに置換することにより、システインがＨＤＡを除去し、活動層に新しくリガンドとして結合されたときに大きい変化が現れるように制御し、単純システインだけでなく、他のバイオ物質においても同じ効果が現れるように誘導することができる。
バイオセンサーに量子ドットを塗布する方法として、スピンコーティング（ｓｐｉｎ ｃｏａｔｉｎｇ）方法を使用する。層間（ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ）蒸着を通じてセンサーの表面に量子ドットを蒸着し、これを活動層として活用してバイオ物質を検出することができる。量子ドットがスピンコーティングされているセンサーの上に検出しようとするバイオ物質が溶けている溶液を塗布すると、量子ドットの表面でリガンド置換反応が起こり、これによる活動層の電気的特性が変わることにより、臨界電圧が変わることを確認することができる。
これは、全体的なセンサーの電気的特性が変化することにより現れる現象であり、物質の濃度に影響を受ける。
薄膜トランジスターＴＦＴ素子と半導体分析器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ａｎａｌｙｚｅｒ）を使用してセンサーの電気的特性を測定できる。測定電圧は、−１０Ｖ〜１０Ｖの間にゲートの電圧を変えることにより、活動層の電気的特性変化を測定し、これに対する変化値を測定し得るように設計された素子の上に量子ドットを蒸着することができ、以後、検出しようとする物質を表面に塗布して、電気的特性変化を感知することができる。また、ＴＦＴ素子の特性上、ゲートの電圧値を変化させることにより、本実験例で使用されたＨｇＳｅ量子ドットだけでなく、他の物質が蒸着された状態の特性を活用して、他の様々な種類のバイオ物質の検出も可能である。
本実験例は、ＨｇＳｅの特性を使用してｎ型ドープされている物質にリガンドを置換して臨界電圧の変化を測定したのである。また、測定された電流値は、オフ電流（ｏｆｆ ｃｕｒｒｅｎｔ）が１０−８であり、オン電流（ｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ）が１０−４であり、表面に塗布されたバイオ物質が活動層の性質変化を起こすことにより現れる現象である。
Ｐ型の活動層を活用する場合、電圧値を１０〜−１０Ｖの逆方向に印加することも可能であり、オン／オフ（ｏｎ／ｏｆｆ）ポイントがさらに高かったり、低い電圧を必要とするとき、電圧を変化させながら測定が可能である。
上記で説明された本発明の好適な実施形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明における通常の知識を有する当業者であれば、本発明の思想と範囲内で多様な修正、変更、付加が可能であり、このような修正、変更および付加は、下記の特許請求の範囲に属すると見なすべきである。
本発明の少なくとも一実施形態に係るバイオセンサーによれば、量子ドット層とターゲットバイオ分子と電子−振動エネルギー伝達による量子ドット層の電流変化を測定し得るので、バイオ物質を感知することができる。
［項目１］
基板と、
基板上に設けられたゲート電極と、
ゲート電極上に設けられた絶縁層と、
絶縁層上にそれぞれ設けられたソース電極およびドレーン電極と、
ソース電極とドレーン電極との間に設けられたｎ型チャネルと、
ｎ型チャネル上に設けられ、ターゲットバイオ物質の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられた量子ドット層と、を含み、
量子ドットは、コロイド状量子ドットであるバイオセンサー。
［項目２］
量子ドット層に設けられ、ターゲットバイオ物質を捕集するための捕集部を含む、項目１に記載のバイオセンサー。
［項目３］
捕集部は、一つ以上の捕集分子を含む、項目２に記載のバイオセンサー。
［項目４］
捕集分子は、量子ドットの曲面部に固定される、項目３に記載のバイオセンサー。
［項目５］
量子ドットは、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＳＴｅ、ＺｎＳｅＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＨｇＳｅＳ、ＨｇＳｅＴｅ、ＨｇＳＴｅ、ＣｄＺｎＳ、ＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＨｇＳ、ＣｄＨｇＳｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＨｇＺｎＳ、ＨｇＺｎＳｅ、ＣｄＨｇＺｎＴｅ、ＣｄＺｎＳｅＳ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ、ＣｄＺｎＳＴｅ、ＣｄＨｇＳｅＳ、ＣｄＨｇＳｅＴｅ、ＣｄＨｇＳＴｅ、ＨｇＺｎＳｅＳ、ＨｇＺｎＳｅＴｅ、ＨｇＺｎＳＴｅ；ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＳｂ、ＧａＰＡｓ、ＧａＰＳｂ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＳｂ、ＩｎＰＡｓ、ＩｎＰＳｂ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰＳｂ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＳｅＳ、ＳｎＳｅＴｅ、ＳｎＳＴｅ、ＰｂＳｅＳ、ＰｂＳｅＴｅ、ＰｂＳＴｅ、ＳｎＰｂＳ、ＳｎＰｂＳｅ、ＳｎＰｂＴｅ、ＳｎＰｂＳＳｅ、ＳｎＰｂＳｅＴｅ、ＳｎＰｂＳＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣおよびＳｉＧｅよりなる群から選択されるいずれか一つ以上である、項目１から４のいずれか一項に記載のバイオセンサー。
［項目６］
量子ドットは、リガンド置換された量子ドットである、項目１から５のいずれか一項に記載のバイオセンサー。
［項目７］
量子ドットは、有機リガンドおよび無機リガンドのうち少なくとも一つのリガンドに置換された量子ドットである、項目６に記載のバイオセンサー。
［項目８］
ｎ型チャネルは、ＩＧＺＯ、ＺｎＯ、ＺＴＯ、ＩＺＯ、ＩＨＺＯ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮおよびＩｎＧａＮよりなる群から選択されるいずれか一つのｎ型物質よりなる、項目１から７のいずれか一項に記載のバイオセンサー。
［項目９］
基板と、
基板上に設けられたゲート電極と、
ゲート電極上に設けられた絶縁層と、
絶縁層上にそれぞれ設けられたソース電極およびドレーン電極と、
絶縁層上に設けられ、ソース電極およびドレーン電極を電気的に連結するように設けられ、ターゲットバイオ物質の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられた量子ドット層と、を含み、
量子ドットは、コロイド状量子ドットであるバイオセンサー。
［項目１０］
量子ドット層に設けられ、ターゲットバイオ物質を捕集するための捕集部を含む、項目９に記載のバイオセンサー。

Claims (10)

  1. 基板と、
    基板上に設けられたゲート電極と、
    ゲート電極上に設けられた絶縁層と、
    絶縁層上にそれぞれ設けられたソース電極およびドレーン電極と、
    ソース電極とドレーン電極との間に設けられたｎ型チャネルと、
    ｎ型チャネル上に設けられ、ターゲットバイオ物質の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられた量子ドット層と、を含み、
    量子ドットは、コロイド状量子ドットであるバイオセンサー。
  2. 量子ドット層に設けられ、ターゲットバイオ物質を捕集するための捕集部を含む、請求項１に記載のバイオセンサー。
  3. 捕集部は、一つ以上の捕集分子を含む、請求項２に記載のバイオセンサー。
  4. 捕集分子は、量子ドットの曲面部に固定される、請求項３に記載のバイオセンサー。
  5. 前記量子ドットは、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＳＴｅ、ＺｎＳｅＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＨｇＳｅＳ、ＨｇＳｅＴｅ、ＨｇＳＴｅ、ＣｄＺｎＳ、ＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＨｇＳ、ＣｄＨｇＳｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＨｇＺｎＳ、ＨｇＺｎＳｅ、ＣｄＨｇＺｎＴｅ、ＣｄＺｎＳｅＳ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ、ＣｄＺｎＳＴｅ、ＣｄＨｇＳｅＳ、ＣｄＨｇＳｅＴｅ、ＣｄＨｇＳＴｅ、ＨｇＺｎＳｅＳ、ＨｇＺｎＳｅＴｅ、ＨｇＺｎＳＴｅ；ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＳｂ、ＧａＰＡｓ、ＧａＰＳｂ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＳｂ、ＩｎＰＡｓ、ＩｎＰＳｂ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰＳｂ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＳｅＳ、ＳｎＳｅＴｅ、ＳｎＳＴｅ、ＰｂＳｅＳ、ＰｂＳｅＴｅ、ＰｂＳＴｅ、ＳｎＰｂＳ、ＳｎＰｂＳｅ、ＳｎＰｂＴｅ、ＳｎＰｂＳＳｅ、ＳｎＰｂＳｅＴｅ、ＳｎＰｂＳＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣおよびＳｉＧｅよりなる群から選択されるいずれか一つ以上である、請求項１から４のいずれか一項に記載のバイオセンサー。
  6. 量子ドットは、リガンド置換された量子ドットである、請求項１から５のいずれか一項に記載のバイオセンサー。
  7. 量子ドットは、有機リガンドおよび無機リガンドのうち少なくとも一つのリガンドに置換された量子ドットである、請求項６に記載のバイオセンサー。
  8. 前記ｎ型チャネルは、ＩＧＺＯ、ＺｎＯ、ＺＴＯ、ＩＺＯ、ＩＨＺＯ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮおよびＩｎＧａＮよりなる群から選択されるいずれか一つのｎ型物質よりなる、請求項１から７のいずれか一項に記載のバイオセンサー。
  9. 基板と、
    基板上に設けられたゲート電極と、
    ゲート電極上に設けられた絶縁層と、
    絶縁層上にそれぞれ設けられたソース電極およびドレーン電極と、
    絶縁層上に設けられ、ソース電極およびドレーン電極を電気的に連結するように設けられ、ターゲットバイオ物質の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられた量子ドット層と、を含み、
    量子ドットは、コロイド状量子ドットであるバイオセンサー。
  10. 量子ドット層に設けられ、ターゲットバイオ物質を捕集するための捕集部を含む、請求項９に記載のバイオセンサー。
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