JP7523771B2

JP7523771B2 - トランジスタ型センサ

Info

Publication number: JP7523771B2
Application number: JP2022503330A
Authority: JP
Inventors: 豪南; 勝正中原; 俊弘小池
Original assignee: JNC Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: JNC Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2024-07-29
Anticipated expiration: 2041-02-19
Also published as: US20230024193A1; JPWO2021172197A1; WO2021172197A1

Description

本発明は化学物質、具体的にはアミノ基を有する化合物を検出するトランジスタ型センサに関する。

近年、生活の健康志向に伴い、化学物質を簡便にモニタリングする需要が増えてきている。食品に含まれる栄養分や、環境負荷物質を分析する為にはこれまで大型で高価な質量分析などの分析機器や、高価な分析試薬が必要であった。しかし、今後は迅速で簡便な分析手法が求められ、これにより、人類の暮らしはより快適になると予想される。

そうした背景の中、金属などの無機物に自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）を形成させてレセプターとし、目的検知対象物質と相互作用させて電気、光といった外部信号として取り出す研究開発が進んできている。用いる相互作用としては共有結合などの化学反応、抗体－抗原反応、ホスト－ゲストによる超分子認識が知られている。

これまでに報告された例としては、レセプターが特定の化学物質に特異的に結合することにより信号を取り出していたが、この手法では多品種の化合物に対して対応するレセプターを多品種で製造する必要があり、工業的には現実的ではないと考えられる。それに対して、ある程度の反応サイトの余裕を持ち、多品種の化学物質に対して応答はするが、応答強度が異なるレセプターを少品種だけ製造することの方が、開発速度が高まり、工業的にも理想的である。

そういった要望の中でククルビット［ｎ］ウリルは親水性及び疎水性を示す空隙の存在により多様な化合物に対して捕集能力を有している事が知られている（特許文献１、特許文献２、非特許文献１）。ククルビット［ｎ］ウリルは、空隙入り口にカルボニル基を有している為、電荷－極性相互作用、極性－極性相互作用、または水素結合によって多様なイオン性化合物、及び極性の大きい化合物を捕集できる点で、他の大環状化合物と異なる。したがってククルビット［ｎ］ウリルはアミノ酸、核酸、金属イオン、有機金属イオン、違法薬物等に対して多様な捕集能力を持ち、さらには、捕集様態も捕集する化合物やククルビット［ｎ］ウリルの環構造の大きさによって異なるため、非常に興味深い化合物である。
ククルビット［ｎ］ウリルを用いた応答は主に溶液中での光学的な応答、核磁気共鳴に対する応答、等温滴定カロリメトリーに対する応答等が知られているが、これらの分析ではやはり比較的大きな分析機器が必要であった。今後簡便な分析の為には超分子的相互作用を有する化合物を金属などの無機物に担持させてチップ状にし、持ち歩けるような状態にするのが望ましい。

特表２００７－５００７６３号公報特表２００７－５２１４８７号公報

Ｃｈｅｍｉｃａｌ－Ｒｅｖｉｅｗｓ，２０１５年，１１５巻，１２３２０頁

本発明の目的は、様々な用途に用いられるアミノ基を有する化合物を検出するためのセンサを提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、ククルビットウリル構造含有化合物を表面に固定化させた検出電極を備えるトランジスタ型センサは、イミダゾールを検出できることを突き止め、本発明を完成させることに至った。
すなわち、本発明は下記の通りである。

［１］アミノ基を有する化合物を捕捉することにより検出するための検出電極と、
前記検出電極に接続されたゲート電極を有するトランジスタと、
を備え、
前記検出電極は、表面に固定化されたククルビットウリル構造含有化合物を有する、トランジスタ型センサ。
［２］前記アミノ基を有する化合物が、１０，０００以下の分子量を有する、［１］に記載のトランジスタ型センサ。
［３］前記アミノ基を有する化合物が、ポリアミン、アミノ酸、及びペプチド結合を含む化合物からなる群から選択される、［１］に記載のトランジスタ型センサ。
［４］前記アミノ基を有する化合物が、イミダゾールジペプチドである、［１］に記載のトランジスタ型センサ。
［５］前記トランジスタの閾値電圧値又はドレイン電流値は、前記アミノ基を有する化合物の捕捉により変化する、［１］乃至［４］のいずれかに記載のトランジスタ型センサ。
［６］前記ククルビットウリル構造含有化合物は、前記検出電極の表面と相互作用し、自己組織化単分子膜を形成している、［１］乃至［５］のいずれかに記載のトランジスタ型センサ。
［７］前記ククルビットウリル含有化合物は、式（１）で表される化合物である、［１］乃至［６］のいずれかに記載のトランジスタ型センサ：
（式中、ｎは５から２０の整数であり、ｍは１から１０の整数である。Ｘ及びＹは独立に酸素、硫黄及びセレンからなる群から選ばれるカルコゲン原子を表し、Ｒは、ＳＨ、ＣＯＯＨ、Ｓｉ（ＯＲ_１）_３、ＰＯ（ＯＨ）_２、ＳＳ－Ｒ_２からなる群から選ばれる置換基を表し、Ｒ_１は炭素数１～５のアルキル基を表し、Ｒ_２は有機基を表す。）。

本発明のトランジスタ型センサは、簡便な構造でありながら、様々な用途に用いられるアミノ基を有する化合物を検出することが可能である。

図１は、実施例１のトランジスタ型センサの模式図を示す。図２は、電極表面にククルビットウリル構造含有化合物が固定化されている模式図である。図３は、実施例１のトランジスタ型センサの製造手順である。図４は、実施例１のカルノシン溶液に対する伝達特性の変化を示す図である。図５は、実施例１のトランジスタ型センサを用いたときの閾値電圧シフト率の変化を示す図である。図６は、検出電極をＣＢ［６］で処理した検出電極を用いた場合と、未処理の検出電極を用い場合の閾値でシフト量を比較した図である。図７は、実施例で用いたタンパク質を構成するアミノ酸２０種を示す。図８は、中性条件下、アスパラギン酸、グルタミン酸、メチオニン、アルギニン、アスパラギンの濃度と閾値電圧シフト率の変化を示す図である。図９は、中性条件下、トレオニン、リシン、システイン、プロリン、バリンの濃度と閾値電圧シフト率の変化を示す図である。図１０は、中性条件下、グリシン、アラニン、ヒスチジン、セリン、ロイシンの濃度と閾値電圧シフト率の変化を示す図である。図１１は、中性条件下、イソロイシン、フェニルアラニン、トリプトファン、グルタミン、チロシンの濃度と閾値電圧シフト率の変化を示す図である。図１２は、酸性条件下、アスパラギン酸、グルタミン酸、メチオニン、アルギニン、アスパラギンの濃度と閾値電圧シフト率の変化を示す図である。図１３は、酸性条件下、トレオニン、リシン、システイン、プロリン、バリンの濃度と閾値電圧シフト率の変化を示す図である。図１４は、酸性条件下、グリシン、アラニン、ヒスチジン、セリン、ロイシンの濃度と閾値電圧シフト率の変化を示す図である。図１５は、酸性条件下、イソロイシン、フェニルアラニン、トリプトファン、グルタミン、チロシンの濃度と閾値電圧シフト率の変化を示す図である。図１６は、中性条件及び酸性条件下のそれぞれにおけるグリシン、アラニン、プロニン、グルタミンの閾値電圧シフト率の変化を示す図である。図１７は、実施例１のセンサを用いたときのイノシン、グアニル酸、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの濃度と閾値電圧シフト率の変化を示す図である。図１８は、実施例２のセンサを用いたときのイノシン、グアニル酸、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの濃度と閾値電圧シフト率の変化を示す図である。

以下、本発明について具体的に説明する。本発明のトランジスタ型センサは、アミノ基を有する化合物を捕捉することにより検出するための検出電極と、前記検出電極に接続されたゲート電極を有するトランジスタと、を備え、前記検出電極は、表面に固定化されたククルビットウリル構造含有化合物を有する、トランジスタ型センサである。

［トランジスタ型センサについて］
（検出電極）
本発明のトランジスタ型センサは、アミノ基を有する化合物を検出すための検出電極を備える。検出電極は、トランジスタの延長ゲート電極である。

検出電極は、電極本体の表面にククルビットウリル構造含有化合物が固定化されている。本発明において、ククルビットウリル構造含有化合物とは、下記構造（以下、ククルビットウリル構造と称す。）を含有する化合物である。

上記式において、ｎは５から２０の整数であり、Ｘ及びＹは独立に酸素、硫黄及びセレンからなる群から選ばれるカルコゲン原子を表す。また、Ａは、水素原子又は水素原子と置換できる原子又は有機基である。

本発明において、ククルビットウリル構造含有化合物は、ククルビットウリル構造を含むものであれば、特に限定されるものではないが、中でも式（１）で表されるククルビットウリル構造含有化合物であることが好ましい。

式（１）中、ｎは５から２０の整数であり、ｍは１から１０の整数である。Ｘ及びＹは独立に酸素、硫黄及びセレンからなる群から選ばれるカルコゲン原子を表し、Ｒは、ＳＨ、ＣＯＯＨ、Ｓｉ（ＯＲ_１）_３、ＰＯ（ＯＨ）_２、ＳＳ－Ｒ_２からなる群から選ばれる置換基を表し、Ｒ_１は炭素数１～５のアルキル基を表し、Ｒ_２は有機基を表す。以下、具体的に説明する。

式（１）で表される化合物は、ククルビットウリル構造（環状構造）を含む化合物である。ｎは、当該化合物を構成するグリコールウリル単位の数を表し、５～２０の整数を表す。検査対象物との相互作用の強さや、入手容易性の観点から、ｎは５～１２の整数が好ましく、５～１０の整数がさらに好ましい。

式（１）中、ｍはメチレン基単位の数を表し、ｍが大きければ、メチレンスペーサーの長さが長くなるものであり、１から２０の整数を表す。検査対象物との相互作用の強さや、固定化のしやすさ、扱いやすさの観点から、ｍは２から１８の整数が好ましく、３から１５がさらに好ましい。なお、メチルスペーサーとは、ククルビットウリル部分（ククルビットウリル構造）と、金属等の無機物とを結ぶ連続したメチレン基のことを言う。

式（１）中、Ｘ及びＹは、独立に酸素、硫黄及びセレンからなる群から選ばれるカルコゲン原子を表す。式（１）中、複数のＸが存在するが、すべてのＸが同一のカルコゲン原子である必要はなく、互いに異なっていてもよい。なお、合成しやすさの観点から、Ｘとしては、硫黄原子及び酸素原子が好ましく、酸素原子が最も好ましい。
また、ＹはＸと同一でも異なっていてもよく、好ましいＹは、硫黄原子及び酸素原子であり、酸素原子が最も好ましい。

Ｒはメチレンスペーサーの末端官能基である。ＲはＳＨ、ＣＯＯＨ、Ｓｉ（ＯＲ_１）_３、ＰＯ（ＯＨ）_２、ＳＳ－Ｒ_２からなる群から選ばれる置換基であることが好ましい。Ｒに含まれるＳ原子、Ｏ原子、Ｓｉ原子又はＰ原子が、無機物の表面と結合することにより、式（１）の化合物は、同じ配向性を有しながら、無機物の表面に固定化することができる。

上記のうち、Ｓｉ（ＯＲ_１）_３のＲ_１は、アルコキシ基のアルキル基部分であり、炭素数１～５であることが好ましく、１～２であることがより好ましい。

また、ＳＳ－Ｒ_２のＲ_２は、有機基であれば特に限定されるものではない。Ｒ_２の具体例としては、アルキル、アルケニル、ククルビットウリルとすることができる。Ｒ_２がＳＳ－Ｒ_２の場合は、無機物の表面に固定する場合、ＳとＳが切断され、ククルビットウリル構造を含む化合物の硫黄原子が、無機物の表面に固定する。なお、切断された－Ｓ－Ｒ_２を含む化合物も無機物の表面に固定することもでき、この点から考えると、Ｒ_２は、ククルビットウリル構造を含むことが好ましい。

式（１）の化合物は、好ましくは、以下の式（２）乃至（６）で表される化合物とすることができる。

式（２）～（６）において、ｎ及びｍは式（１）と同様である。また、式（６）のＲ_１は炭素数１～５のアルキル基を表す。各式中に、ｍやＲ_１が複数ある場合は、ｍやＲ_１はそれぞれ互いに同じであっても異なっていてもよい。
式（１）の化合物の特徴の一つとして、金属等の無機物と相互作用し、自己組織化単分子膜を形成することができる。ククルビットウリル構造は、ホスト分子として機能することが期待できるため、無機物とメチルスペーサーにより隔てたククルビットウリル部分が新しい機能を発揮できると考えられる。

固定化は、図２のように、式（１）の化合物が、電極表面上に、配置されるものであり、例えば、電極本体表面に式（１）の化合物を用いて、自己組織化単分子膜処理（ＳＡＭ処理）を施すことにより、電極金属表面に式（１）の化合物を固定させた状態とすることができる。

（トランジスタ）
本発明のセンサは、トランジスタを備える。トランジスタは、有機トランジスタ、無機トランジスタを使用することができるが、小型で簡易的に用いることができる点で、電界効果トランジスタ（特に、薄膜トランジスタ）が好ましい。
本発明において、電界効果トランジスタは、通常の構成の電界効果トランジスタを用いることができ、一例を図１に示す。図１の電界効果トランジスタＴは、典型的な電界効果トランジスタであり、基板１、ゲート電極２、ゲート絶縁膜３、ソース電極４、ドレイン電極５、バンク６、有機半導体（ＯＳＣ）７、封止膜８から構成されている。
電界効果トランジスタＴを構成する材料も特に限定されるものではない。例えば、基板１は、ガラス、セラミックス、金属等の無機材料の他、樹脂、紙等の有機材料等を適用することができる。ゲート電極２としては、アルミニウム、銀、金、銅、チタン、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、ｐｏｌｙ（３，４－ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ等を用いることができる。ソース電極４、ドレイン電極５の材料としては、金、銀、銅、白金、アルミニウム、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ等の導電性高分子が挙げられる。ゲート絶縁膜３の構成材料としては、例えば、シリカ（酸化珪素）、アルミナ（酸化アルミニウム）、自己組織化単分子膜、ポリスチレン、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ポリメチルメタクリレート、ポリジメチルシロキサン、ポリシルセスキオキサン、イオン液体、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。バンク６の構成材料としては、ポリテトラフルオロエチレンが挙げられ、封止膜８の構成材料としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリパラキシリレン等が挙げられる。

有機半導体７は、その機能が発揮できれば材料は特に限定されるものではないが、Ｐ型の場合は、ペンタセン、ジナフトチエノチオフェン、ベンゾチエノベンゾチオフェン（Ｃｎ－ＢＴＢＴ）、ＴＩＰＳペンタセン、ＴＥＳ－ＡＤＴ、ルブレン、Ｐ３ＨＴ、ＰＢＴＴＴ等を用いることができ、Ｎ型の場合は、フラーレン等を用いることができる。中でも、下記化合物などが好適に用いられ、本明細書に記載の実施例の半導体材料としても用いた。

なお、図１において、検出電極Ｄは、導線９、検出電極基板１０、検出電極本体１１、は参照電極１２、自己組織化単分子膜１４である。検出電極本体１１は、トランジスタＴのゲート電極２に導線９で電気的に接続されている。実験上、液体を検出しやすくするために、検出電極Ｄはチューブの中に組み込むことが好ましい。

検出電極基板１０の材料は、ポリエチレンナフタレート等が挙げられる。検出電極本体（延長ゲート電極本体）１１は、検出電極基板１０の表面に配置させる。検出電極本体１１の材料は、ゲート電極２と同様に、アルミニウム、銀、金、銅、チタン、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、ｐｏｌｙ（３，４－ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ等を用いることができる。参照電極１２は一般的に用い得られる参照電極を用いればよく、Ａｇ／ＡｇＣｌなどが挙げられる。
そして、検出電極本体１１の上には、自己組織化単分子膜１４が形成されている。自己組織化単分子膜１４はククルビットウリル構造含有化合物から構成される。ただし、ククルビットウリル構造含有化合物が、延長ゲート電極本体１１の上に何らかの状態で配置されていれば、検出機能は発揮することができると思われるが、自己組織化単分子膜の状態になっている方が好ましい。

本発明のトランジスタ型センサは、検出電極に固定化されたククルビットウリル構造含有化合物に、アミノ基を有する化合物が結合して生じる閾値電圧又はドレイン電流値の変化を計測することにより、アミノ基を有する化合物を検出するのに用いることができる。すなわち、本発明に係るトランジスタ型センサは、トランジスタの延長ゲート上に固定化させたククルビットウリル構造含有化合物とアミノ基を有する化合物との結合に基づいて、検出を行うデバイスである。このようなセンサによれば、トランジスタの特性変化によって安定的かつ簡便に検出対象物質（アミノ基を有する化合物）のモニタリングを行うことができる。

［トランジスタ型センサの製造方法について］
（検出電極の作製）
検出電極の作製は、金属等の無機物の表面にククルビットウリル構造含有化合物を固定化させる工程を含む。ククルビットウリル構造含有化合物の固定化方法は、特に限定されるものではく、スピンコート法、ディップコート法など、様々な方法を用いることができる。
簡便な手法として、ククルビットウリル構造含有化合物を溶媒に混合した混合液を、電極となる金などの無機物に終夜浸漬し、必要により乾燥させることにより、得ることができる。混合溶液のククルビットウリル構造含有化合物の濃度は特に限定されるものでないが、例えば、０．０１ｍＭ～１Ｍとすることができる。図３では、参照電極１２を用いた例を示したが、用いても用いなくてもよい。

（トランジスタの作製）
トランジスタの作製は、特に限定されるものではないが、蒸着法、スパッタリング法等のドライプロセスでも、スピンコート、バーコート、スプレーコート等による塗布、スクリーン印刷、グラビアオフセット印刷、凸版反転印刷、インクジェット印刷等の各種印刷機による印刷でもよい。印刷によれば、より効率的に低コストで製造することができる。

図１に示すトランジスタＴの製造方法の一例を、図３を用いて説明する。まず、基板１（材料はガラス）を用意し（ａ）、その上に表面に３０ｎｍの厚さのゲート電極２（材料はアルミニウム）を形成する（ｂ）。そして、ＲＩＥ処理（反応性イオンエッチング処理により酸化アルミニウム膜を形成）を１５分行い、ＨＦＰＡで処理することによりゲート絶縁膜３を形成する（ｃ）。さらに、ソース・ドレイン電極４、５（材料はいずれも金）をパターニング形成する（ｄ）。その後、バンク６（材料はポリテトラフルオロエチレン）を形成し（ｅ）、有機半導体７の層を形成する（ｆ）。最後に、封止膜８（材料はポリテトラフルオロエチレン）をスピンコート法等により形成し（ｇ）、トランジスタＴを作製する。

ゲート電極２と、上記検出電極Ｄを接続させて、トランジスタ型センサの製造することができる。

［検出方法及び検出対象物質］
アミノ基を有する化合物を含む溶液又は気体を、検出電極上に接触させることにより、閾値電圧のシフト量が大きくなるため、シフト量を計測することにより、検出を実施する。

検出時における温度は特に限定されるものではないが、常温で行うことができる。また、検出時における圧力も特に限定されるものでないが、大気中で行うことができる。したがって、簡便でかつ持ち運びができるセンサとして使用することが期待できる。
検出時におけるｐＨは、特に限定されるものではなく、酸性、中性、塩基性のいずれでも検出可能である。検出対象物質によっては、ｐＨが異なることで、検知強度が変化する場合がある。このような特性を有する場合は、異なるｐＨでの測定を実施することにより、検知対象物質を同定しやすくなる場合がある。

検出対象物質は、アミノ基を有する化合物である。アミノ基を有する化合物とは、化合物の中にアミノ基を有していればよく、アミン化合物、ポリアミン、アミノ酸、たんぱく質など特に限定されるものではない。アミノ基を有する化合物と、ククルビットウリル構造含有化合物とのなんらかの相互作用により、検出できるものと考えられる。

アミノ基を有する化合物の例としては、例えば、１０，０００以下の分子量のアミノ基を有する化合物、５，０００以下の分子量のアミノ基を有する化合物、２，０００以下の分子量のアミノ基を有する化合物、１，０００以下の分子量のアミノ基を有する化合物が挙げられる。１，００００以下の分子量であれば、十分に検出できる程度のシグナルが得られる場合があるため、好ましい・

本発明のトランジスタ型センサの検出対象物質として、極性を有し、水に可溶な化合物を検出することができる。例えば、水に対する溶解度が、水１００ｇに対して、１０ｍｇ以上である化合物が挙げられる。水に対する溶解度は、好ましくは、５０ｍｇもしくは１００ｍｇ以上である。

化合物に含まれるアミノ基の数は、例えば、１以上、２以上、３以上、４以上などが挙げられる。

アミン化合物としては、脂肪族アミン、芳香族アミン、アミノアルコール、イミダゾール、ベンゾトリアゾール、グアニジン、ヒドラジド、アミノ酸等が挙げられ、さらにこれらの誘導体なども挙げられる。また、ポリアミン、たんぱく質なども挙げられる。

脂肪族アミンとしては、例えば、ジメチルアミン、エチルアミン、１－アミノプロパン、イソプロピルアミン、トリメチルアミン、アリルアミン、ｎ－ブチルアミン、ジエチルアミン、ｓｅｃ－ブチルアミン、ｔｅｒｔ－ブチルアミン、Ｎ，Ｎ－ジメチルエチルアミン、イソブチルアミン、シクロヘキシルアミン等が挙げられる。

芳香族アミンとしては、例えば、アニリン、Ｎ－メチルアニリン、ジフェニルアミン、Ｎ－イソプロピルアニリン、ｐ－イソプロピルアニリン等が挙げられる。
アミノアルコールとしては、例えば、２－アミノエタノール、２－（エチルアミノ）エタノール、ジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、トリエタノールアミン、Ｎ－ブチルジエタノールアミン、トリイソプロパノールアミン、Ｎ，Ｎ－ビス（２－ヒドロキシエチル）－Ｎ－シクロヘキシルアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’－テトラキス（２－ヒドロキシプロピル）エチレンジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’’，Ｎ’’－ペンタキス（２－ヒドロキシプロピル）ジエチレントリアミン等が挙げられる。

イミダゾールとしては、例えば、２－メチルイミダゾール、２－ウンデシルイミダゾール、２－ヘプタデシルイミダゾール、１，２－ジメチルイミダゾール、２－エチル－４－メチルイミダゾール、２－フェニルイミダゾール、２－フェニル－４－メチルイミダゾール、１－ベンジル－２－メチルイミダゾール、１－ベンジル－２－フェニルイミダゾール、１－シアノエチル－２－メチルイミダゾール、１－シアノエチル－２－ウンデシルイミダゾール、１－シアノエチル－２－エチル－４－メチルイミダゾール、１－シアノエチル－２－フェニルイミダゾール、１－シアノエチル－２－ウンデシルイミダゾリウムトリメリテイト、１－シアノエチル－２－フェニルイミダゾリウムトリメリテイト、２，４－ジアミノ－６－［２’—メチルイミダゾリル－（１’）］—エチル－ｓ－トリアジン、２，４－ジアミノ－６－［２’—ウンデシルイミダゾリル－（１’）］—エチル－ｓ－トリアジン、２，４－ジアミノ－６－［２’—エチル－４’—メチルイミダゾリル－（１’）］—エチル－ｓ－トリアジン、２，４－ジアミノ－６－［２’—メチルイミダゾリル－（１’）］—エチル－ｓ－トリアジンイソシアヌル酸付加物、２－フェニルイミダゾールイソシアヌル酸付加物、２－フェニル－４，５－ジヒドロキシメチルイミダゾール、２－フェニル－４－メチル－５－ヒドロキシメチルイミダゾール、２，３－ジヒドロ－１Ｈ－ピロロ［１，２－ａ］ベンズイミダゾール、１－ドデシル－２－メチル－３－ベンジルイミダゾリウムクロライド、２－メチルイミダゾリン、２－フェニルイミダゾリン、２，４－ジアミノ－６－ビニル－ｓ－トリアジン、２，４－ジアミノ－６－ビニル－ｓ－トリアジンイソシアヌル酸付加物、２，４－ジアミノ－６－メタクリロイルオキシエチル－ｓ－トリアジン、エポキシ—イミダゾールアダクト、２－メチルベンゾイミダゾール、２－オクチルベンゾイミダゾール、２－ペンチルベンゾイミダゾール、２－（１－エチルペンチル）ベンゾイミダゾール、２－ノニルベンゾイミダゾール、２－（４－チアゾリル）ベンゾイミダゾール、ベンゾイミダゾール等が挙げられる。

さらには、イミダゾールジペプチドも挙げられ、カルノシン、アンセリン、バレニンおよびホモカルノシンが挙げられる。

また、イミダゾールには、イミダゾールの炭素を使った環状構造をさらに有する化合物も含まれる。そのような化合物としては、例えばアデニンを含む化合物が含まれる。
アデニンを含む化合物は、その構造にアデニンを含むものを意味する。アデニンを含む化合物には、ヌクレオチド構造を有する化合物が包含され、ヌクレオチド構造を有する化合物としては、イノシン酸、グアニル酸、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ^＋）などが挙げられる。

ベンゾトリアゾールとしては、例えば、２－（２’—ヒドロキシ－５’—メチルフェニル）ベンゾトリアゾール、２－（２’—ヒドロキシ－３’—ｔｅｒｔ－ブチル－５’—メチルフェニル）－５－クロロベンゾトリアゾール、２－（２’—ヒドロキシ－３’，５’—ジ－ｔｅｒｔ－アミルフェニル）ベンゾトリアゾール、２－（２’—ヒドロキシ－５’－ｔｅｒｔ－オクチルフェニル）ベンゾトリアゾール、２，２’—メチレンビス［６－（２Ｈ－ベンゾトリアゾール－２－イル）－４－ｔｅｒｔ－オクチルフェノール］、６－（２－ベンゾトリアゾリル）－４－ｔｅｒｔ－オクチル－６’－ｔｅｒｔ－ブチル－４’－メチル－２，２’－メチレンビスフェノール、１，２，３－ベンゾトリアゾール、１－［Ｎ，Ｎ－ビス（２－エチルヘキシル）アミノメチル］ベンゾトリアゾール、カルボキシベンゾトリアゾール、１－［Ｎ，Ｎ－ビス（２－エチルヘキシル）アミノメチル］メチルベンゾトリアゾール、２，２’—［［（メチル－１Ｈ－ベンゾトリアゾール－１－イル）メチル］イミノ］ビスエタノール、１，２，３－ベンゾトリアゾールナトリウム塩水溶液、１－（１’，２’—ジカルボキシエチル）ベンゾトリアゾール、１－（２，３－ジカルボキシプロピル）ベンゾトリアゾール、１－［（２－エチルヘキシルアミノ）メチル］ベンゾトリアゾール、２，６－ビス［（１Ｈ－ベンゾトリアゾール－１－イル）メチル］－４－メチルフェノール、５－メチルベンゾトリアゾール等が挙げられる。

グアニジンとしては、例えば、カルボジヒドラジド、マロン酸ジヒドラジド、コハク酸ジヒドラジド、アジピン酸ジヒドラジド、１，３－ビス（ヒドラジノカルボノエチル）－５－イソプロピルヒダントイン、セバシン酸ジヒドラジド、ドデカン二酸ジヒドラジド、７，１１－オクタデカジエン－１，１８－ジカルボヒドラジド、イソフタル酸ジヒドラジド等が挙げられる。ヒドラジドとしては、例えば、ジシアンジアミド、１，３－ジフェニルグアニジン、１，３－ジ－ｏ－トリルグアニジン等が挙げられる。

アミノ酸としては、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン塩酸塩、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン一塩酸塩、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン、β－アラニン、γ－アミノ酪酸、δ－アミノ吉草酸、ε－アミノヘキサン酸、ε－カプロラクタム、７－アミノヘプタン酸等が挙げられる。

ポリアミンとしては、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、ジアミノブタン、ジアミノペンタン、ジアミノヘキサン、ジアミノヘプタン、ジアミノオクタン、ジアミノデカン、ジアミノドデカン等のジアミン；ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン等の３価以上のアミンが挙げられ、さらには、プトレシン、カダベリン、スペルミジン、スペルミンなども挙げることができる。

アミノ酸のポリマー、すなわち、タンパク質も本発明のトランジスタ型センサの検出対象物質である。タンパク質としては、例えば、コラーゲン、ケラチン、アルブミン、アポリポタンパク質、フェリチン、ヘモシデリン、アクチン、ミオシン、グロブリンが挙げられる。

以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。

合成例１
ククルビット［６］ウリル（以下ＣＢ［６］と称す。）二量体の合成
（第１工程）ビスイミダゾリニウム塩内包ＣＢ［６］－モノヒドロキシ体の合成

当該合成は、参考文献：Ｚｈａｏ，Ｎ．；Ｌｌｏｙｄ，Ｇ．Ｏ．；Ｓｃｈｅｒｍａｎ，Ｏ．Ａ．Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．２０１２，４８（２５），３０７０－３０７２．に則り、以下のように合成した。

大気下、１００ｍＬの二口ナスフラスコに還流冷却器を取り付け、ＣＢ［６］（０．５ｇ，０．５ｍｍｏｌ）、３，３’－（オクタン－１，８－ジイル）ビス（１－エチル－イミダゾリニウム）ブロミド（２３２ｍｇ，０．５ｍｍｏｌ）、水（５０ｍＬ）を入れ、８５℃へ昇温し、１時間攪拌した。ある程度溶解したのを確認した後、ここに（ＮＨ_４）_２Ｓ_２Ｏ_８（１１４ｍｇ，０．５ｍｍｏＬ）を加えた。１２時間攪拌した後、室温に戻し、ロータリーエバポレーターにより水を留去した。得られた固体を水を展開溶媒として逆相カラムクロマトグラフィー（樹脂：三菱ケミカル製、ＣＨＰ２０Ｐ）を用いて分離した。１０ｍＬずつ分画し、ＬＣ／ＭＳにより目的物が存在するフラクションを選択し、ロータリーエバポレーターにより溶媒を除去して目的物である白色固体（収量：３２０ｍｇ，収率：４３％）を得た。

（第２工程）６，６’－ジスルファンジイルビス（ヘキサン－１－オル）の合成

１００ｍＬの三口ナスフラスコに還流冷却器と滴下漏斗を取り付け、乾燥エタノール（２５ｍＬ）、チオ尿素（１．２５ｇ，１６．５ｍｍｏｌ）、６－ブロモヘキサン－１－オル（２．７１ｇ，１６．５ｍｍｏｌ）を加え、７０℃に昇温、３０時間攪拌した。その後、５０℃に降温し、水酸化ナトリウム（６ｇ，１５０ｍｍｏｌ）水溶液（１８ｍＬ）を滴下し、大気解放して更に１日攪拌した。室温に戻した後、得られた褐色溶液をクロロホルム（４５ｍＬ）、水（４５ｍＬ）で分液操作を行い、水層をクロロホルムで抽出した。合わせた有機層を水（４５ｍＬ）で３回洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥させて濾過し、濾液の有機溶媒をロータリーエバポレーターで除いて目的物として褐色オイル（収量：１．１１ｇ，収率２８％）で得た。
^１ＨＮＭＲ（４００ＭＨｚ，ＣＤＣｌ_３）： δ １．２４–１．７１（ｍ，１６Ｈ，（ＣＨ_２）_４）２．６８（ｔ，Ｊ＝５．０Ｈｚ，４Ｈ，ＣＨ_２），３．６５（ｔ，Ｊ＝９．３Ｈｚ，４Ｈ，ＣＨ_２）．

（第３工程）１，２’－ビス（６－ブロモへキシル）ジスルファンの合成

５０ｍＬの三口フラスコに還流冷却器と滴下漏斗を取り付け、四臭化炭素（３．０１ｇ，９．０８ｍｍｏｌ）のテトラヒドロフラン溶液（６ｍＬ）に６，６’－ジスルファンジイルビス（ヘキサン－１－オル）（１．１０ｇ，４．１３ｍｍｏｌ）のテトラヒドロフラン溶液（６ｍＬ）を加えた。１０分間攪拌した後、トリフェニルホスフィン（２．８１ｇ，１０．７３ｍｍｏｌ）のテトラヒドロフラン溶液（１０ｍＬ）を滴下して加え、４０℃へ昇温した。この際、溶液の色が橙色から暗緑色へ変色するのが確認され、最後に懸濁液となった。２日間攪拌した後、懸濁液をクロロホルム（３０ｍＬ）と水（３０ｍＬ）を加えて分液操作を行い、水層をクロロホルム（２０ｍＬ）で２回抽出して、有機層を水（２０ｍＬ）で２回洗浄して硫酸ナトリウムで乾燥させた。乾燥剤を濾別した後に、有機溶媒をロータリーエバポレーターにより除去して得られた粗生成物（５．２１ｇ）をクロロホルム：ヘキサン＝１：４を展開溶媒としてシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製した。用いたシリカゲルは４０ｇであった。溶媒を除去して目的化合物である淡黄色オイル（収量：８６２ｍｇ，収率：５３％）を得た。
Ｒ_ｆ＝０．３９． ^１ＨＮＭＲ（４００ＭＨｚ，ＣＤＣｌ_３）： δ １．２５–１．４４（ｍ，８Ｈ，（ＣＨ_２）_４）１．６９（ｑｕｉｎｔ，Ｊ＝８．０Ｈｚ，４Ｈ，ＣＨ_２）１．８８（ｑｕｉｎｔ，Ｊ＝５．８Ｈｚ，４Ｈ，ＣＨ_２），２．６９（ｔ，Ｊ＝５．８Ｈｚ，４Ｈ，ＣＨ_２），３．４１（ｔ，Ｊ＝５．８Ｈｚ，４Ｈ，ＣＨ_２）．

（第４工程）ＣＢ［６］二量体の合成

３０ｍＬの二口フラスコに窒素雰囲気下で、第１工程で得られたビスイミダゾリニウム塩内包ＣＢ［６］－モノヒドロキシ体（１００ｍｇ，０．０７ｍｍｏｌ）を、ジメチルスルホキシド（７ｍＬ）に溶解させ、１０分間攪拌した後、水素化ナトリウム（５．４２ｍｇ，０．１４ｍｍｏｌ，オイル中含量６０％）を加え、０℃へ冷却した。１５分間攪拌した後、１，２’－ビス（６－ブロモへキシル）ジスルファン（５３．１１ｍｇ，０．１４ｍｍｏｌ）を加え、室温に戻した。１日攪拌した後、得られた白橙色懸濁液を１日静置すると沈殿が析出してきたのでこれを濾過して白色固体の目的物（収量：３９ｍｇ，収率：２５％）を得た。

電極作製例１
自己組織化単分子膜電極（ＳＡＭ処理済電極）の作製
ポリエチレンナフタレート基板をマスクで覆って金を１００ｎｍ蒸着し、適当なサイズに切断、ＵＶ－オゾン処理を１０分間行った。これを合成例１で合成したＣＢ［６］二量体のメタノール溶液（０．３ｍＭ）に終夜浸漬して、自己組織化単分子膜電極（ＳＡＭ処理済電極）を得た。ＣＢ［６］二量体のメタノール溶液で処理していないものを未処理電極とした。

実施例１
ＳＡＭ処理済電極を用いたトランジスタ型センサの製造
電極作製例１で得られたＳＡＭ処理済電極の検出電極を、図３に示した製造方法で得られたトランジスタのゲート電極に接続させることにより、本発明のトランジスタ型センサを製造した。なお、本実施例のトランジスタ型センサは、半導体パラメータアナライザのゲート端子（図示しない）を参照電極（Ａｇ／ＡｇＣｌ）に接続させた。

（カルノシン検出実験）
実施例１のトランジスタ型センサに備わる検出電極は、ガラスチューブの下部に配置し、そのチューブに緩衝液として１０ｍＭのＨＥＰＥＳ、及び１００ｍＭのＮａＣｌ１００ｍＭ水溶液を９００μＬ入り、トランジスタを５回動作させてトランジスタ型センサを安定化させた後、同条件の測定を３回行った。
検知対象物質の所定量を徐々に滴下し、１０分待機して測定を開始し、評価した。測定は、ソース－ドレイン電圧（Ｖ_ＤＳ）を－１Ｖとし、ゲート電圧（Ｖ_Ｇ）を０．５～３Ｖとした。なお、緩衝液のｐＨは、７．４であった。

安定化させたトランジスタ型センサの検出電極を備えたガラスチューブに、０μＭ～２００μＭの範囲で濃度を変更させたカルノシン溶液を滴下した。結果を図４と図５に示す。図４では、濃度を増加させることにより、Ｖ_ＧＳが負の方向に移動することが分かった。また、図５から、カルノシンが比較的低濃度でも、カルノシンを含まない溶液に対して、閾値電圧シフト率が変化することがわかった。

（アンセリン検出実験）
カルノシン検出実験と同様の実験装置を用いた。検知物質については、アンセリン溶液（１ｍＭ）をＨＥＰＥＳ（１０ｍＭ）とＮａＣｌ（１００ｍＭ）緩衝溶液へ８０μＭとなるように加えて、３回実験を行った。ここで、Ｖ_ｔｈ０とは、検知物質が入っていない時の閾値電圧であり、Ｖ_ｔｈ８０は、検知物質が８０μＭのときの閾値電圧である。結果を図６に示す。ＳＡＭ処理済電極を用いた場合は、閾値電圧シフト量が大きく、検知物質が入っていない場合との差が明らかである。なお、バレニンについても、閾値電圧シフト率が変化しことを確認した。なお、緩衝液のｐＨは、７．４であった。

（アミノ酸検出実験：中性条件下）
中性条件下で、アミノ基を有する検知対象化合物として図７に示す様なタンパク質を構成するアミノ酸２０種類（アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リシン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン）の検出実験を行った。
実験装置はカルノシン検出実験と同様の実験装置を用いた。検知物質であるアミノ酸の溶液（１ｍＭ）をｐＨ＝７．４のＨＥＰＥＳ（１０ｍＭ）とＮａＣｌ（１００ｍＭ）緩衝溶液９００μＬへ０．９、１．８、１．８、１．８、２．７、４．５、４．５、９、９、９、９μＬと徐々に加えた。これにより検知濃度は１、３、５、７、１０、１５、２０、３０、４０、５０、６０μＭとなり、滴定プロットが描けるようになる。ここで、Ｖ_ｔｈ０とは、検知物質が入っていない時の閾値電圧であり、Ｖ_ｔｈｘは、検知物質濃度がｘμＭのときの閾値電圧である。結果を図８～１１に示す。横軸は検知濃度、縦軸は閾値電圧のシフト率であり、いずれの実験でも各アミノ酸を検知できることを確認した。加えてアミノ酸の種類によってシフト率（（Ｖ_ｔｈｘ－Ｖ_ｔｈ０）／Ｖ_ｔｈ０）の違い、すなわち検知強度の違いが現れている事を確認した。

（アミノ酸検出実験：酸性条件下）
酸性条件下で、アミノ基を有する検知対象化合物として図７に示す様なタンパク質を構成するアミノ酸２０種類（アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リシン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン）の検出実験を行った。
実験装置はカルノシン検出実験と同様の実験装置を用いた。検知物質であるアミノ酸の溶液（１ｍＭ）をｐＨ＝３の希塩酸９００μＬへ０．９、１．８、１．８、１．８、２．７、４．５、４．５、９、９、９、９μＬと徐々に加えた。これにより検知濃度は１、３、５、７、１０、１５、２０、３０、４０、５０、６０μＭとなり、滴定プロットが描けるようになる。ここで、Ｖ_ｔｈ０とは、検知物質が入っていない時の閾値電圧であり、Ｖ_ｔｈｘは、検知物質濃度がｘμＭのときの閾値電圧である。結果を図１２～１５に示す。
図１６に示す様にアミノ酸の種類によってはプロリンの様に中性条件下に比べて、酸性条件下ではシフト率、すなわち検知強度が上昇（中性条件下：（Ｖ_ｔｈｘ－Ｖ_ｔｈ０）／Ｖ_ｔｈ０＝０．６、酸性条件下：（Ｖ_ｔｈｘ－Ｖ_ｔｈ０）／Ｖ_ｔｈ０＝１．４）するもの、逆にアラニンの様に降下（中性条件下：（Ｖ_ｔｈｘ－Ｖ_ｔｈ０）／Ｖ_ｔｈ０＝１．０、酸性条件下：（Ｖ_ｔｈｘ－Ｖ_ｔｈ０）／Ｖ_ｔｈ０＝０．５）するものが見られた。この様な測定環境に応じたアミノ酸個々の検知強度の違いを交差的に利用する事により化学種の判別が今後は可能になる事が期待される。

合成例２
ククルビット［７］ウリル（以下ＣＢ［７］と称す。）二量体の合成
合成例１におけるＣＢ［６］の代わりにＣＢ［７］を用いる以外は、合成例１の工程１乃至工程４に沿って同様の方法により、ＣＢ［７］二量体を得た。

電極作製例２
自己組織化単分子膜電極（ＳＡＭ処理済電極）の作製
電極作製例１において、ＣＢ［６］の代わりにＣＢ［７］を用いた以外は、電極作製例１と同様の方法で、自己組織単分子膜電極（ＳＡＭ処理済電極）を得た。

実施例２
ＳＡＭ処理済電極を用いたトランジスタ型センサの製造
電極作製例２で得られたＳＡＭ処理済電極の検出電極を、実施例１と同様の製造方法により、本発明のトランジスタ型センサを製造した。なお、本実施例のトランジスタ型センサは、半導体パラメータアナライザのゲート端子を参照電極（Ａｇ／ＡｇＣｌ）に接続させた。

（イノシン酸、グアニル酸、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ^＋）の検出実験）
イノシン酸、グアニル酸、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを、カルノシン検出実験と同様の実験装置を用いて検出実験を行った。実施例１のセンサ及び実施例２のセンサを用いて実施した。検知物質については、イノシン酸、グアニル酸、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドのそれぞれの溶液（１ｍＭ）をＨＥＰＥＳ（１０ｍＭ）とＮａＣｌ（１００ｍＭ）緩衝溶液へ８０μＭとなるように加えて、それぞれ３回実験を行った。ここで、Ｖ_ｔｈ０とは、検知物質が入っていない時の閾値電圧であり、Ｖ_ｔｈ８０は、検知物質が８０μＭのときの閾値電圧である。結果を図１７、１８に示す。実施例１のセンサ（図１７）及び実施例２のセンサ（図１８）のいずれも、閾値電圧シフト率が変化しことを確認した。なお、緩衝液のｐＨは、実施例１の装置の場合でも、実施例２の装置の場合でも７．４であった。
イノシン酸、グアニル酸、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドイノシン酸は、いずれも旨味成分であり、食品中の旨味成分の定性、定量が可能であることを示唆している。

産業上利用可能性

本発明のトランジスタ型センサは、アミノ基を有する化合物を検出することができ、また、装置として非常に簡易であり、産業上利用可能性を有するものである。

Ｔ電界効果トランジスタ
Ｄ検出電極
１基板
２ゲート電極
３ゲート絶縁膜
４ソース電極
５ドレイン電極
６バンク
７有機半導体
８封止膜
９導線
１０検出電極基板
１１検出電極（延長ゲート）
１２参照電極
１３チューブ
１４自己組織化単分子膜

Claims

アミノ基を有する化合物を捕捉することより検出するための検出電極と、
前記検出電極に接続されたゲート電極を有するトランジスタと、
を備え、
前記検出電極は、表面に固定化されたククルビットウリル構造含有化合物を有し、
前記ククルビットウリル構造含有化合物は、式（１）で表される化合物であり、
式（１）で表される化合物は、前記検出電極の前記表面に同じ配向で固定化される、トランジスタ型センサ：

（式中、ｎは５から２０の整数であり、ｍは１から１０の整数である。Ｘ及びＹは独立に酸素、硫黄及びセレンからなる群から選ばれるカルコゲン原子を表し、Ｒは、ＳＨ、ＣＯＯＨ、Ｓｉ（ＯＲ _１） _３、ＰＯ（ＯＨ） _２、ＳＳ－Ｒ _２からなる群から選ばれる置換基を表し、Ｒ _１は炭素数１～５のアルキル基を表し、Ｒ _２は有機基を表す。）。
前記アミノ基を有する化合物が、１０，０００以下の分子量を有する、請求項１に記載のトランジスタ型センサ。
前記アミノ基を有する化合物が、ポリアミン、アミノ酸、及びペプチド結合を含む化合物からなる群から選択される、請求項１に記載のトランジスタ型センサ。
前記アミノ基を有する化合物が、イミダゾールジペプチドである、請求項１に記載のトランジスタ型センサ。
前記トランジスタの閾値電圧値又はドレイン電流値は、前記アミノ基を有する化合物の捕捉により変化する、請求項１に記載のトランジスタ型センサ。
前記ククルビットウリル構造含有化合物は、前記検出電極の表面と相互作用し、自己組織化単分子膜を形成している、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のトランジスタ型センサ。